[发明专利]基于拉曼光谱的多壁碳纳米管改性沥青中碳纳米管含量与分散状态的测定方法

说明书

本发明公开了基于拉曼光谱的多壁碳纳米管改性沥青中碳纳米管含量与分散状态的测定方法，该方法通过拉曼光谱中拉曼特征峰强度与波数的变化，分析MWCNTs在沥青中的无序程度与相互作用，利用拉曼光谱中的D模和G模的强度变化来说明MWCNTs在试件中含量，同时发现当MWCNTs分散状态均匀时，D模和G模的强度与MWCNTs掺量呈线性正相关。此方法中也展示了利用D模和G模的强度比（I_D/I_G）来表征MWCNTs无序性增强的现象，以此说明MWCNTs在沥青胶结料中出现互相缠绕和团聚现象。

技术领域

本发明属于多壁碳纳米管改性沥青微观表征技术领域，尤其涉及基于拉曼光谱的多壁碳纳米管改性沥青中碳纳米管含量与分散状态的测定方法。

背景技术

印度科学家C.V.拉曼(Raman)在1982年发现了拉曼散射效应，并以此为基础发展了拉曼光谱(Raman spectra)微观表征方法，它的应用原理是当入射光穿透物质时，将得到频率不同的散射光谱，这些散射光谱能够反映材料内部的分子振动、转动等方面的信息。拉曼光谱试验对材料没有破坏性，可以用来分析材料化学组成，晶体结构和化学键等，并且对有机和无机、固体或某些液体材料都适用。拉曼光谱仪的工作原理是当激光发射器发射出的光子打在待研究物质上，光子会因为撞击而改变其原有的运行路径从而发生散射，大部分光子发生弹性散射，弹性散射的频率与入射光源相同，命名为瑞利散射(RayleighScattering)；而另一部分光子则会产生非弹性的散射，其光子的频率会有所改变，这部分的散射光谱就是拉曼散射(Raman Scattering)。

虽然大多数的碳质材料都具有和石墨片层相似的微观结构，但不同种类的碳质材料却有着不同的结构(如C60，CNTs等)，结构大小也有着很微弱的差异，其内部化学键的振动方式以及电子运动的特性都会反映在拉曼散射光谱当中。由于拉曼散射光谱能够非常灵敏地检测到碳质结构的偏移对称性，且具备需要的检测样品少、对样品破坏性小等优点，因此拉曼散射是目前最常见的研究纳米碳质结构的方法。

拉曼光谱可用于研究CNTs的微观特性：一方面，拉曼光谱可以用来确定单根CNT的直径大小和CNTs管束的直径分布、CNTs的金属性或非金属性，以及CNTs的取向性等；另一方面，在CNTs受到外界影响时，拉曼光谱还可用于定量地确定CNTs结构的应力或应变相对大小。

在外部条件(荷载、温度等)的影响下，CNTs中C＝C键会产生伸缩变化，进而反映在拉曼特征峰位置的偏移上。此外，拉曼光谱还可用于研究CNTs/聚合物复合材料的微观特性，通过观察CNTs/聚合物复合材料的拉曼特征峰宽度、强度的变化以及峰位的移动，来表征CNTs与聚合物基体之间的相互作用以及CNTs在基体中的是否到达一定的分散程度。

对基体中CNTs的某些化学键(如C＝C)的微观受力进行表征，可用于研究基体与CNTs界面的荷载传递信息以及黏附力。已有的研究中主要针对CNTs及其复合材料的两种拉曼特征峰进行研究：D模和G模，前者反映了碳质结构的无序性，后者反映了有序石墨结构的内部平面振动信息。

在CNTs复合材料中，主要观察D模和G模的强度比(I_D/I_G)的变化以及特征峰位置的移动。I_D/I_G值的减小可以反映CNTs的结构缺陷减少，有序性提高；单根的CNTs在受到外力作用时，会导致结构的变形，C＝C键的长度也会随之增大或减小，其反映在拉曼特征峰的波数移动上。拉伸形变下，CNTs特征峰的位置将向波数较小的方位偏移，压缩形变下则向波数较大的方位偏移。如果CNTs是分布在聚合物材料中，则可以通过降低CNTs/聚合物复合材料的温度，产生收缩，使CNTs主要受到沿轴向方向的压缩应力。Hadjiev等人的研究结果证明，降低基体材料的温度，将会导致CNTs的G模与G’模逐渐向波数较大的方位偏移。

发明内容