表面活性剂是一类具有两亲性的物质,其结构一端为亲水基团,一端为亲油基团,不仅在较低的浓度下便可以降低表面张力,而且在溶液中可以形成聚集体,其中硅表面活性剂具有高效的性能、良好的生物相容性且无环境污染。而表面活性剂混合体系则可以表现出更大的优势,仅通过改变溶质的比例含量而不用合成新的物质,即可具有更优良的性质。表面活性剂的应用非常广泛,在洗涤剂、化妆品、医药、食品、涂料和油田开发等众多领域不可或缺,并已成功用于分散碳纳米管(CNTs),在水溶液中得到单根分散的CNTs悬浊液。自1991年CNTs被发现以来,因其独特的性能和潜在的应用前景而备受关注,为了解决团聚问题、更好的表现其独特性能,开展了一系列在介质中分散CNTs的研究。近年来,随着计算机模拟技术的快速发展,对表面活性剂混合体系和CNTs分散的研究不断增多,逐渐由对宏观性质的研究深入到对微观结构的探索,以期从微观角度解释相关作用机理。本论文中使用实验和模拟相结合的方法,研究了表面活性剂混合体系在体相和界面上的聚集行为,以及不同表面活性剂在水溶液中对CNTs的分散效果,得到一些重要的结论,有望为实际应用提供理论基础。因硅表面活性剂具有良好的界面铺展性,且硅氧烷类型的物质与CNTs有强烈的相互作用,硅表面活性剂有望成为有效的CNTs分散剂。第二章中选取四种具有相似结构的硅表面活性剂(S1E19、S2E38、S2E16和S1E16P9),用于在水溶液中分散CNTs,考察硅表面活性剂的结构和浓度对分散效果的影响。结果表明,S1E19、S2E38、S2E16和S1E16P9均可以将CNTs分散在水溶液中。在所研究的浓度范围内,当水溶液中含有1000mg·L-1S1E16P8时的分散效果最佳,分散量最大且得到的单根CNTs最多。随着表面活性剂浓度的增大,含有S1E19和S1E16P8体系的分散量先增大后降低,而含有S2E38和S2E16体系的分散量先增大,超过一定浓度后基本保持不变。亲水基团聚氧乙烯、疏水基团硅氧烷和聚氧丙烯均对分散效果有很大的影响：含有更多氧乙烯基团的S2E38对CNTs的分散能力强于S2E16；含有较少硅氧烷和氧乙烯基团的S1E16对CNTs的分散稳定性最差。通过计算机模拟得到类似的结果,含有更多硅氧烷的S2E38和S2E16与S1E19相比,与CNTs的相互作用更强；聚氧丙烯基团的引入使得含有较少硅氧烷基团的S1E16P8和CNTs的相互作用能与S2E16的接近,且分散量最大；分散过程中,四种硅表面活性剂主要通过范德华作用力吸附在CNTs表面。第三章中研究了一种聚氧乙烯基团修饰的三硅氧烷Ag-64在水溶液中分散CNTs的情况,悬浊液中基本上为单根分散的CNTs,并且对SWNTs和MWNTs均有分散作用。Ag-64浓度对分散效果影响显著,随着浓度增大,呈现先增强后减弱的趋势。当CNTs存在时,Ag-64的临界胶束浓度(cmc)增大10倍,说明有大量的Ag-64分子吸附在CNTs表面。由分子动力学(MD)模拟得到,Ag-64通过范德华力吸附并紧密包裹在CNTs表面,增强其亲水性,得以在水溶液中分散。根据本课题组对CNTs在水溶液中分散的研究,聚合物如F127可以在水溶液中分散更大量的CNTs,但是分散后的CNTs大都仍是几根聚在一起,呈小束的状态在溶液中存在。通过对Ag-64与F127混合体系的实验和耗散粒子动力学模拟(DPD)的研究发现,两者之间有较强的相互作用,它们的混合溶液有望较好的分散CNTs。因此采用实验和MD模拟方法考察了Ag-64/F127混合溶液分散CNTs的效果,并与单一的Ag-64和F127体系进行了比较。F127加入后,大大增强了分散CNTs的能力,且在一定浓度下,产生协同分散效果,分散量大于同浓度下单一F127和Ag-64分散量的总和。在所研究的浓度范围内,含有2000mg·L-1Ag-64和250mg·L-1F127的体系分散效果最佳,得到大量的以单根形式存在的CNTs分散液。与单一Ag-64体系相似,F127与Ag-64同样通过范德华力吸附并包裹在CNTs表面,从而分散CNTs。模拟结果显示,Ag-64与CNTs的相互作用更强,最先吸附在其表面,将CNTs剥离成单根状态。在F127浓度较低时,F127会与吸附在CNTs上的Ag-64发生相互作用,产生强的空间位阻,从而分散并稳定更多的单根CNT。p-环糊精(p-CD)是由7个葡萄糖单元构成的环状低聚糖,具有一个疏水内腔和亲水外缘。根据文献报道,环糊精(CD)可以通过范德华力吸附在CNTs的表面,从而使其分散；它们的复合物可以构建CD/CNT电极,应用于电化学和生物传感器。因此,开展CD和CNTs相互作用的理论研究十分必要,第四章中便使用MD模拟考察了羟丙基、羟丁基修饰的β-CD对SWNTs的分散作用。研究发现,β-CD分子通过范德华力吸附在SWNTs表面,且有大口和小口吸附两种方式。通过比较p-CD上不同取代基和取代位置的影响,发现修饰后的p-CD更容易吸附在SWNTs表面,拥有更长的二位上取代链的p-CD通过大口吸附在SWNTs上具有最高的相互作用能。SWNTs的直径也是重要的影响因素之一,p-CD与SWNTs之间的相互作用随直径的增大而逐渐增强。同时,还比较了无水和水体系中相互作用的区别。水存在时,β-CD与SWNTs之间的相互作用能相对低,β-CD需要更长的时间才能吸附到SWNTs表面,但是关于取代基和取代位置的影响规律与无水体系相同。硅表面活性剂和氟表面活性剂因具有优良的性质而得到广泛的应用,由于它们的价格较高,在应用中常常与碳氢表面活性剂复配使用,对此类混合物在溶液中和界面上聚集行为的研究已开展多年。与实验方法相比,计算机模拟可以用于补充实验以及其它理论方法。第五章中采用MD模拟对比研究了具有相似结构的硅表面活性剂(DSEP)、碳氢表面活性剂(HCEP)和碳氟表面活性剂(FCEP)对气/液界面上表面活性剂单层膜性质的影响,分别选取三种碳链相同而极性头基不同的表面活性剂——十二烷基苯磺酸钠(SDS)、十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)和月桂醇聚醚-8(C12E8),用于比较头基的影响。通过研究硅表面活性剂、氟表面活性剂与碳氢表面活性剂相互作用的差异对不同类型表面活性剂的界面性质的影响,探究具有优异界面性能的最佳复配体系。模拟结果与众所周知的表面活性剂在气/液界面上的吸附形态相同：头基插入水相,疏水链伸展朝向气相,反离子在头基附近运动,整个分子以一定倾斜角吸附在界面上。加入HCEP或FCEP后,SDS. DTAB和C12E8吸附层更加有序,其中HCEP与C12E8形成了混合吸附层,得到高度有序的单层膜。DSEP则使C12E8排列更加无序,但能大大增强DTAB在界面上的有序性。单层膜的有序性和倾斜角可以反映表面活性剂的界面性质,从而得到：SDS体系中FCEP存在时降低水的表面张力的效率最高；DTAB体系中DSEP存在时效率最高；而C12E8体系中HCEP存在时效率最高。并且,模拟中再次证实了实验中发现的结果,如碳氢链与碳氟链的互疏作用,碳氟链具有刚性,不容易弯曲,而硅氧烷链具有柔性,容易在界面铺展。