離子液體分散奈米碳管

這一節將詳細的介紹利用離子液體分散奈米碳管中所有的力，以 及比較所有力的大小，並在掃描式電子顯微鏡下觀察，離子液體對奈 米碳管的影響與作用。

4.3.1 離子液體的分散機制

圖 4.5 為離子液體 HDMIC 的化學結構式，圖上可看出離子液體 電性分佈，在離子液體化學結構式的前端為陽離子(Cation)，為離子 液體的正電，而化學結構式中的氯離子為陰離子(Anion)，為離子液

體的負電，在結構式中鏈長的部分，為離子液體的烷基(alkyl group)。

當離子液體與奈米碳管一起溶入二甲基咯酮溶液中，如圖4.8 所 示，離子液體的陽離子會吸附於多層壁奈米碳管的表面，與多層壁奈 米碳管的_π電子產生交互作用力(Cation-π Interaction Force) [26]，此種 作用力為一種靜電力。當離子液體的陽離子會吸附於多層壁奈米碳管 的表面時，離子液體的鏈長，也就是烷基，也會有相互作用力的反應。

由微觀下觀察溶液中離子液體與奈米碳管的反應，如圖4.9 所示，離 子液體的陽離子正與多層壁奈米碳管的_π 電子產生相互作用力，而圖 4.10 為離子液體的烷基與烷基之間的相互作用力(Hydrophobic Force of Alkyl-Alkyl Interaction)[10]，其作用力會加強奈米碳管之間的區 隔，有助於分散效果，可由圖 4.9 與圖 4.10 的示意圖，來更明白了解 作用力之間的關係。之後，為了製成電磁屏蔽複合材料薄膜，因此會 將聚亞醯胺加入離子液體與多層壁奈米碳管的混合液中，但在聚亞醯 胺 加 入 混 合 液 時 ， 離 子 液 體 的 烷 基 會 與 聚 亞 醯 胺 產 生 作 用 力 (Hydrophobic Force of Alkyl-Polyimide Interaction) [10]，使得奈米碳管 能藉由離子液體烷基與聚亞醯胺之間的相互作用力幫助下，均勻的分 散在聚亞醯胺上。

4.3.2 探討作用力之間的大小

在未加入離子液體分散多層壁奈米碳管之前，多層壁奈米碳管會 因凡得瓦力影響，使得多層壁奈米碳管彼此叢聚在一起，其束縛能 (Binding Energy)為 1 kcal/mol，而在加入離子液體分散奈米碳管之 後，產生了三種作用力，分別為離子液體的陽離子與多層壁奈米碳管 的_π電子之間相互作用力、離子液體的烷基與烷基之間相互作用力、

離子液體的烷基與聚亞醯胺之間相互作用力，其中以離子液體的陽離 子與多層壁奈米碳管的_π 電子之間相互作用力的束縛能為最大，為 9.4 kcal/mol，其次為離子液體的烷基與烷基之間相互作用力和離子液 體的烷基與聚亞醯胺之間相互作用力，束縛能都約為 2.7 kcal/mol，

如表4.1 所示[10]。

4.3.3 展透門檻量測(Percolation Threshold)

藉由導電性量測可以看出奈米碳管分散的效果好壞，也可證明離 子液體與多層壁奈米碳管之間有作用力的存在，實驗量測是將不同重 量百分比多層壁奈米碳管摻雜到多層壁奈米塑膠複合材料中，以及加 入離子液體和未加離子液體，製成電磁屏蔽複合材料薄膜，量其導電 率繪成展透門檻圖，如圖 4.11 所示，可看出有加入離子液體分散多 層壁奈米碳管的電磁屏蔽複合材料薄膜，其展透門檻約在5.2 wt%，

而未加離子液體分散的薄膜多層壁奈米碳管的電磁屏蔽複合材料薄 膜，其展透門檻約為 11.5 wt%，結果很清楚的了解，的確加入離子液 體有助於分散多層壁奈米碳管，也證明了離子液體與多層壁奈米碳管 之間有作用力的存在。

4.3.4 SEM 觀測奈米碳管的分散

以不同比例的離子液體與多層壁奈米碳管，加入二甲基咯酮溶液 中，利用 SEM 觀測其分散情況，圖 4.12 為 SEM 下所觀測的照片，

分別以1：0、1：1、1：3 多層壁奈米碳管與離子液體的比例，在 2,000 及 20,000 倍率下所拍攝，照片上明亮白色的部分為多層壁奈米碳管 所分佈的地方。我們將照片做資料分析處理，在圖4.12 (a)、(b)、(c) 中，以SEM 2,000 倍率下觀察多層壁奈米碳管分散的分佈情況，量測 明亮白色部份佔全部的部分，依次分別為 59%、81%、93%，結果顯 示多層壁奈米碳管與離子液體的比例越高，分散的分佈情況也會越 廣，也表示加入離子液體的比例越多，分散效果也就越好。

在SEM 20,000 倍率下觀察多層壁奈米碳管之間的分散距離，當 分散距離大時，多層壁奈米碳管就顯得稀疏，所量測明亮白色部份的 百分比也相對越低，在圖4.12 (d)、(e)、(f) SEM 照片中，明亮白色部 份佔全部百分比的部分，依次為 59%、41%、33%，實驗結果表示分

散距離會因加入離子液體的比例越多，而多層壁奈米碳管之間距離也 會越大。