ICS 71.040.50 CCS G 30
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T40568—2021/ISO/TS11888:2017
纳米技术 多壁碳纳米管的表征
介观形状因子
Nanotechnologies--Characterization of multiwall carbon nanotubes-
Mesoscopic shapefactors
(ISO/TS11888:2017,IDT)
2022-05-01实施
2021-10-11发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会 发布 GB/T40568—2021/ISO/TS11888:2017
目 次
前言引言 1范围 2 规范性引用文件 3术语、定义和缩略语：
3.1术语和定义 3.2 缩略语 4样品制备方法 4.1球磨切割 4.2分散方法 4.3 SEM样品制备 4.4 样品制备方法的选择 5实验程序 5.1用SEM测量SBPL 5.2用TEM测量MWCNTs的内径和外径 6检测报告附录A（规范性） 第3章、附录B、附录C和附录D中术语和定义的公式附录B（资料性） 黏度测量法附录C（资料性) 动态光散射和去极化动态光散射附录D(资料性) 测量实例与检测报告参考文献
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10 11 12 15 GB/T40568--2021/ISO/TS11888:2017
前言
本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件使用翻译法等同采用ISO/TS11888：2017《纳米技术 多壁碳纳米管的表征 介观形状因子》。
本文件做了下列编辑性修改：
在5.2中以“注”的形式增加了内径和外径的定义；在图1c)中增加了标尺为5nm的透射电子显微镜高分辨图像；删除ISO/TS11888—2017图1、图D.1、图D.3、图D.4中“注：来源：2010ACS”，因其表述不清且没给出具体可用信息。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任，本文件由中国科学院提出。 本文件由全国纳米技术标准化技术委员会（SAC/TC279)归口。 本文件起草单位：国家纳米科学中心、清华大学、广州特种承压设备检测研究院、华南理工大学、
江苏天奈科技股份有限公司。
本文件主要起草人：刘忍肖、尹宗杰、李茂东、张丽娜、常怀秋、葛广路、纪英露、毛鸥。
I GB/T40568—2021/ISO/TS11888:2017
引言
由化学气相沉积(CVD)制备的多壁碳纳米管（MWCNTs）可用于高分子复合材料、导电涂层等产业领域。在大多数情况下，用CVD制备的MWCNTs具有沿轴向随机分布的静态（持久）弯曲点。 MWCNTs产品的物理化学性质主要取决于组成该产品的单根MWCNTs（见ISO/TS80004-3)的介观形状和尺寸[4I6]，因此在面对健康、环境和安全(EHS)问题以及在复合材料或其他分散体系等材料领域广泛应用时，对MWCNTs介观形状的表征是其最终性能可复现的关键。
本文件给出了MWCNTs介观形状因子表征方法，其中包括样品制备程序。特别地，本文件提供了一种统计方法以用于表征由CVD制备的MWCNTs。在MWCNTs制备过程中，其轴向结构并非完美的线性，而是包括静态弯曲点。
本文件提供了确定统计量“静态弯曲持续长度（SBPL)”的方法。SBPL表示不因持久弯曲而变形的最大直线长度，它给出了MWCNTs的介观形状和尺寸之间的关系。若两根MWCNTs长度相同但 SBPL不同，则其整体尺寸（如回转半径、水动力学直径等当量直径)也会不同。在实际应用时，SBPL的不同会影响MWCNTs的化学反应活性和物理性能[4-6]。
MWCNTs-高分子复合物的导电性、尺寸稳定性与MWCNTs的SBPL值密切相关[4-6]。SBPL值可影响电渗流阈值[6][8]、毒性[]、导热系数[9]、流变学特性[10]和场发射性能[11]等多种属性。SBPL可用于估计达到导电性（渗流极限）的MWCNTs-高分子基体的负载量，并有助于模拟MWCNTs-高分子复合材料机械性能随碳纳米管掺杂量的变化。
在开展与碳纳米管相关的工作前，建议先详细了解碳纳米管的处理、处置方法，并注意做好个人防护。
= GB/T40568—2021/ISO/TS11888:2017
纳米技术多壁碳纳米管的表征
介观形状因子
1 范围
本文件描述了多壁碳纳米管（MWCNTs)介观形状因子的表征方法。所采用的表征技术包括扫描电子显微术（SEM)、透射电子显微术（TEM)、黏度法和光散射法等。
本文件还包括用于界定静态弯曲持续长度（SBPL)表征的附加条款，给出了用于评价SBPL的测量方法，其长度通常处于几十纳米至几百微米之间。
本文件借鉴高分子物理中的概念和数学表达式来定义MWCNTs的介观形状因子。
2规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件。
3术语、定义和缩略语
3.1术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。 ISO和IEC中用于本文件中的术语和定义见下列网址：
-ISO在线浏览平台：http：//www.iso.org/obp -IEC电子百科：http：//www.electropedia.org/
注：部分术语和定义的表达式见附录A。 3.1.1
介观形状mesoscopicshape 在观测尺度下，对单根MWCNTs形状的描述。 注1：介观形状因子描述的是单根MWCNTs的平均尺寸和形状，而“宏观”描述的是MWCNTs聚集体或团聚物的
形状和尺寸。“原子尺度分辨”描述的是单根MWCNTs在原子水平的形状（见图1)。 注2：见参考文献[4]。
200 nm
10 μm
I μm b）介观(单根)
1cm
a）宏观(聚集体)
图1MWCNTs在不同观测尺度下的形状
1 GB/T40568—2021/ISO/TS11888:2017
10 nn
5 nm
c）原子尺度分辨
图1MWCNTs在不同观测尺度下的形状（续）
3.1.2
规则形状regularshape 沿管轴具有规则图案的特性注：规则形状的MWCNTs具有与正切方向相关的周期形状。直线和线圈形的MWCNTs均属于典型的规则形状
MWCNTs。
3.1.3
随机形状randomshape 静态或持久弯曲点沿管轴随机（高斯)分布的特性。
3.1.4
静态弯曲持续长度 staticbendingpersistencelengthSBPL Ip 无静态弯曲的最大直线长度。
3.1.5
轮廓长度 contourlength L 单根MWCNTs沿其轴向的总长度。
3.1.6
加权平均轮廓长度 weightedaveragecontourlength Lw 按权重分配的轮廊长度的平均值。
3.1.7
端距 end-to-end distance R 单根MWCNTs两端之间的直线距离。
3.1.8
弯曲比 bendingratio Db 均方端距与轮廊长度平方的比值。
3.1.9
本征黏度 intrinsicviscosity 特性黏数 [n] 用于描述单根MWCNTs对MWCNTs分散液黏度贡献的参数。
3.2缩略语
下列缩略语适用于本文件。
2 GB/T40568—2021/IS0/TS11888:2017
CVD：化学气相沉积（chemicalvapourdeposition） DDLS：去极化动态光散射（depolarizeddynamiclightscattering） DLS：动态光散射（dynamiclightscattering） DMF：二甲基甲酰胺（dimethylformamide） SBPL：静态弯曲持续长度(static bending persistencelength) SEM：扫描电子显微术（scanningelectronmicroscopy） TEM：透射电子显微术（transmissionelectronmicroscopy）
4样品制备方法
4.1球磨切割
称取200mgMWCNTs放人氧化锆罐（150mL）中，加20mL乙醇，放人氧化锆球（5.2mm）后进行球磨2h，球磨速率为500r/min。
将球磨后的MWCNTs分散液转移到50mL锥形离心管中，进行离心处理，离心速率为5000r/min。 将离心后的MWCNTs进行冷冻干燥处理24h后，用鼓风干燥箱在300℃下进行干燥处理30min
以去除挥发性组分。
将干燥后的MWCNTs置于研钵中进行研磨。 注：若球磨速率过高或球磨时间过长，则可能会破坏MWCNTs的结构。
4.2分散方法
取20mg研磨后的MWCNTs，用200mLDMF分散并在40W功率下超声3h。将MWCNTs分散液转移到50mL锥形离心管中，进行离心处理30min，离心速率为3000r/min。将分散液用滤纸 (孔尺寸10μm)过滤，去除所有可能遗留的未分散物质。
注：DMF是碳纳米管的最优分散溶剂(见参考文献[4,5]。 4.3SEM样品制备
将MWCNTs分散液用DMF进行10X稀释后，取1mL滴到孔径0.02μm的陶瓷过滤器上并进行真空抽滤。将附有MWCNTs的陶瓷过滤器在60℃下干燥24h。 4.4样品制备方法的选择
方法1（见5.1.2.1)和方法3（见5.1.2.3)宜按（4.1，4.2和4.3）的顺序操作。方法2（见5.1.2.2)可用于各类合成MWCNTs样品的制备。
5实验程序
5.1用SEM测量SBPL 5.1.1 SEM 5.1.1.1通则
高分辨SEM成像技术可在高放大倍率下对密排结构进行检测表征。 5.1.1.2SEM成像
将附有MWCNTs的陶瓷过滤器切割成小块，用导电胶带粘牢在SEM样品台上，在40℃下真空干
3 GB/T40568—2021/ISO/TS11888:2017
燥1h，烘干后的样品溅射喷铱1min。若无铱源，可选用金、铂或碳。在10000×放大倍率下，拍摄不少于3张SEM图像；在20000X放大倍率下，拍摄不少于3张代表性高分辨SEM图像。方法1 (5.1.2.1)和方法3(5.1.2.3)宜采用本制样程序。
或者，将合成的MWCNTs用导电胶带粘在SEM样品台上，在40℃下真空干燥1h，烘干后样品溅射喷铱1min。若无铱源，可选用金或铂。在10000×放大倍率下，拍摄不少于3张SEM图像；在 20000×放大倍率下，拍摄不少于3张代表性高分辨SEM图像。对于方法2（见5.1.2.2），宜采用本制样程序。
注：若溅射喷涂超过1min，有可能导致MWCNTs弯曲状态的轻微改变。 5.1.2SBPL的测量方法 5.1.2.1方法1
在SEM图像中，测量不少于100根MWCNTs的单根轮廊长度和端距。以100nm为间隔，对轮廊长度数据进行分类，计算各轮廓长度区间的均方端距。
用平均轮廊长度的平方除以均方端距，得到各轮廊长度区间的弯曲比，见附录A中公式（A.3）。当轮廊长度大于1μm时，由顶视图测得的轮廊长度可能会有高达15%的低估。若要得到更准确的值，可由几个侧视图构成三维图像后再测量轮廓长度和端距。
对弯曲比与轮廊长度的倒数作图，测量斜率，用公式（A.4)计算SBPL。当弯曲比和轮廊长度倒数的线性关系达到渐近极限时，斜率等于2倍的SBPL。
注1：对于随机形状的MWCNTs，即使轮廊长度相同，端距值也会变化")，因此，在各轮廊长度区间会得到不同的
端距值。当MWCNTs为随机形状时，在各轮廊长度区间内，MWCNTs的端距值呈高斯分布。计算端距平方的平均值得到均方端距。
注2：进行SEM成像前，分散良好的MWCNTs已经过滤处理，因此100根MWCNTs足以代表样品中MWCNTs
的形状。可用DLS、DDLS和本征黏度的测量结果予以辅证。SBPL的近似值可由方法2或方法3得到。
5.1.2.2方法2
从合成MWCNTs的SEM图像中，测量不少于100根MWCNTs的单根曲率半径，计算曲率半径的平均值。此平均半径近似等于SBPL。 5.1.2.3方法3
从SEM图像中，选取不少于10根轮廊长度处于（2.0士0.2)μm区间的MWCNTs，分别测量每根的端距。SBPL的近似值可由均方端距和平均轮廓长度的平方计算获得，见公式（A.3)和公式（A.4）。
注1：方法1是最精确的方法，但耗时较长。与方法1相比，方法2估算的SBPL偏差高达20%（方法2倾向于低估
SBPL)。与方法1相比，方法3估算的SBPL偏差达到100%。SBPL的数量级会影响应用效果，如透明导电膜、电极和聚合物复合材料等。
注2：从方法1、方法2和方法3获得的SBPL可由黏度法（附录B)和/或DLS(附录C)予以佐证。
5.2用TEM测量MWCNTs的内径和外径
将稀释后的MWCNTs/DMF分散液滴在碳膜上，在60℃下干燥24h。在10000×放大倍率下进行TEM成像，拍摄不少于3张1000000X至3000000X放大倍率的MWCNTs的TEM图像。
选取不少于10根MWCNTs，沿其轴向至少选择3个不同位点，测量内径和外径，计算平均值。测量位点总数应不少于30个。
注：内径是指MWCNTs内圆的直径，即垂直通过MWCNTs中心轴线，两个端点位于碳管内表面上的线段的长度。外
径是指MWCNTs外圆的直径，即垂直通过MWCNTs的中心轴线，两个端点位于碳管外表面上的线段的长度。