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摘要   

有些工藝需要絮凝懸浮液，而有些則需要顆粒充分分散。本文將展示如何使用ZetaProbe來(lái)控制膠體的聚集狀態(tài)。

一、聚集態(tài)和分散態(tài)懸浮液的特性

膠體顆粒處于不斷運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，它們每秒相互碰撞數(shù)百萬(wàn)次。如果它們之間沒(méi)有排斥力，碰撞將導(dǎo)致粒子粘在一起，形成雙聚物，并迅速發(fā)展成三聚物或更大的團(tuán)聚體。很快，整個(gè)懸浮乳液可能會(huì)變成一個(gè)大的團(tuán)聚體。另一種情況，聚集體（或稱(chēng)為絮凝體）可能會(huì)迅速沉降形成松散的沉積物，從而捕獲大量的懸浮介質(zhì)。

當(dāng)懸浮液高度分散時(shí)，具有強(qiáng)大的排斥力來(lái)阻止聚集，它在許多方面表現(xiàn)得像簡(jiǎn)單的液體。例如：

1. 它通常具有與剪切速率無(wú)關(guān)的低粘度，因此它很容易流動(dòng)并且不會(huì)“膠體化”。

2. 它可能很難過(guò)濾，要么是因?yàn)轭w粒太小，它們能直接通過(guò)過(guò)濾器，要么因?yàn)樗鼈冞M(jìn)入過(guò)濾器并堵塞了孔隙。

3. 如果顆粒不是很密集，它們可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能沉降。當(dāng)它們沉降時(shí)，它們往往會(huì)形成致密的沉積物，可能很難重新分散。[這稱(chēng)為“結(jié)塊”]。

不穩(wěn)定（聚合）懸浮液的情況正好相反。這種懸浮液：

1. 幾乎總是表現(xiàn)出不尋常的流動(dòng)特性，具有比溶劑更高的粘度。該粘度將取決于懸浮液被剪切的速度。

2. 如果剪切力太小而無(wú)法分解體系時(shí)，它通常會(huì)表現(xiàn)得像固體。

3. 聚集體會(huì)迅速沉降，但它們會(huì)形成一個(gè)非常松散的開(kāi)放網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，會(huì)捕獲大量的水。這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)搖晃懸浮液來(lái)輕松打破。

4. 同樣的過(guò)程也可能發(fā)生在過(guò)濾中。固體很容易與大部分懸浮介質(zhì)分離，但可能難以對(duì)剩余的濾餅進(jìn)行脫水。

在處理膠體懸浮液的關(guān)鍵步驟中，聚集或分散狀態(tài)決定了體系將如何響應(yīng)。例如，如果目的是過(guò)濾掉顆?；蛏a(chǎn)漿料，那么通過(guò)搖動(dòng)容器可輕易將其分散，這需要聚集狀態(tài)。但是，如果目的是生產(chǎn)易于泵送的膠體，則需要分散狀態(tài)。在陶瓷膠體加工過(guò)程中，穩(wěn)定的膠體也是更優(yōu)的，因?yàn)檫@種漿料會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度更高的陶瓷[1]。

二、控制聚合狀態(tài)

如果粒子之間的排斥力足夠強(qiáng)以克服范德華引力，則懸浮液是穩(wěn)定的，因此為了控制聚集，有必要控制排斥力。

有許多方法可以增大這種斥力?？梢允褂梅请x子表面活性劑或中性聚合物吸附到顆粒上形成空間位阻屏障來(lái)阻止凝聚?；蛘?，可以使用電荷來(lái)增加排斥力。在這種情況下，聚合通常有以下因素調(diào)控：

1. 調(diào)節(jié)溶液pH值

2. 添加離子表面活性劑

3. 添加帶電聚合物

4. 添加易于吸附的離子，如聚磷酸鹽

只要粒子表面存在電荷，它就會(huì)產(chǎn)生斥力，并且可能是排斥力的主要原因。在這些情況下，為了控制聚集過(guò)程必須控制Zeta電位。

pH值或可吸附離子濃度的微小變化都可能會(huì)影響有效表面電荷，從而影響聚集狀態(tài)。因此，批次組分中雜質(zhì)含量的微小變化或循環(huán)水成分的變化可能導(dǎo)致Zeta電位的顯著變化。在控制不佳的情況下，這種變化會(huì)導(dǎo)致不同時(shí)期的不同表現(xiàn)形式。在某些情況下，配方必須是新鮮的（如在制備農(nóng)業(yè)噴霧劑時(shí)），當(dāng)使用不同鹽成分的供水時(shí)，配方可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

大多數(shù)人在過(guò)程控制中都意識(shí)到在氧化物體系或涉及蛋白質(zhì)或弱有機(jī)酸的系統(tǒng)中控制pH值的重要性 ，但大多還沒(méi)有意識(shí)到必須控制的是Zeta電位。

如果沒(méi)有更好的方法，pH值可以用作替代，但有時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生很大的誤導(dǎo)，因?yàn)閆eta通常也取決于其他參數(shù)，不僅僅是pH值。在膠體懸浮液中測(cè)量pH也很麻煩，因?yàn)閜H計(jì)的探頭相當(dāng)脆弱且難以維護(hù)。

在靜電穩(wěn)定懸浮液體系中，Zeta電位提供了顆粒之間排斥力的度量。通常需要至少25 mV（正或負(fù)）的Zeta電位才能達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的分散。

圖1我們展示了ZetaProbe測(cè)量氧化鋁，氧化鈦和氧化硅顆粒的Zeta對(duì)pH的測(cè)量。氧化硅懸浮液在pH4以上穩(wěn)定，氧化鋁在pH8以下穩(wěn)定，而氧化鈦在距離等電點(diǎn)6的約2個(gè)pH單位處穩(wěn)定。根據(jù)這些滴定曲線，很容易確定所需的pH范圍，以產(chǎn)生穩(wěn)定或聚集的懸浮液。請(qǐng)注意，這些曲線也取決于其他因素，例如懸浮電解液的濃度和類(lèi)型。因此，對(duì)于穩(wěn)定性所需的pH范圍沒(méi)有通用的規(guī)則，每個(gè)懸浮液的 Zeta曲線必須單獨(dú)測(cè)量。

Zeta電位的另一個(gè)用途是控制分散劑的用量。通常加入分散劑直到將顆粒表面完全覆蓋，這發(fā)生在 Zeta 電位因分散劑添加量增加而趨于平穩(wěn)時(shí)。如圖2所示，將聚電解質(zhì)分散劑Darvan C添加到氧化鋁懸浮液中，Zeta電位的變化情況。在這種情況下，在添加大約 2.5 ml 聚電解質(zhì)后，Zeta 電位已經(jīng)趨于平穩(wěn)，因此添加更多的 Darvan C 沒(méi)有意義。

即使在使用非離子組分來(lái)控制分散的情況下，Zeta電位通常也會(huì)隨著這些分子的吸附而降低，因此Zeta電位測(cè)量可用于監(jiān)測(cè)表面覆蓋所需的量。參考文獻(xiàn)[1]包含許多使用Zeta電位控制離子和非離子分散劑水平的優(yōu)秀實(shí)例。

三、為什么使用ZetaProbe來(lái)控制聚合？

實(shí)際上決定許多體系聚集或分散狀態(tài)的是 Zeta 電位，因此很顯然，直接和連續(xù)測(cè)量 Zeta 電位將是控制這些工業(yè)過(guò)程的理想方法。過(guò)去的問(wèn)題是難以獲得懸浮液中顆粒的Zeta電位的可靠測(cè)量值。幾乎所有其他測(cè)量 Zeta 的設(shè)備都依賴(lài)于傳統(tǒng)的光學(xué)方法來(lái)觀察外加電場(chǎng)中的粒子運(yùn)動(dòng)來(lái)確定 Zeta。它們只能運(yùn)用于非常稀的懸浮液。而稀釋需要時(shí)間，并且通常會(huì)改變 Zeta 電位。

隨著ZetaProbe的出現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題得到了解決。該裝置可以插入膠體懸浮液中，并在幾秒鐘內(nèi)給出重復(fù)性好又可靠的 zeta 電位讀數(shù)。測(cè)量前不再需要稀釋樣品。ZetaProbe 可以測(cè)量幾乎任何濃度大于0.5%的懸浮液的 Zeta電位。高達(dá)60%體積濃度的乳液也能測(cè)得結(jié)果。

由于高濃懸浮液中的顆?；蛞旱尉哂休^大的表面積，因此不存在污染問(wèn)題，且最終的測(cè)量結(jié)果非?？煽?。用光學(xué)方法，可以對(duì)少量的單個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量，并尋求Zeta的平均值。即使使用光散射方法，采集的顆粒數(shù)量也相對(duì)較少。在ZetaProbe中，測(cè)量平均了數(shù)十億個(gè)粒子。同一膠體的結(jié)果在樣品與樣品之間、批次與批次之間以及每一天之間都非常一致。因此，測(cè)量的Zeta的任何變化都表明膠體中的真實(shí)物理變化，而不是儀器影響。

與其他電聲設(shè)備不同，無(wú)需通過(guò)一些額外的測(cè)量來(lái)估測(cè)粒徑，并有正確的粒徑來(lái)進(jìn)行合理的 Zeta 計(jì)算。該儀器能夠?qū)α阶龀龀浞值墓罍y(cè)并將其代入Zeta計(jì)算。該估算是使用我們專(zhuān)利的多頻電聲技術(shù)進(jìn)行的，其他電聲設(shè)備無(wú)法進(jìn)行此類(lèi)測(cè)量。

在測(cè)量過(guò)程中，對(duì)懸浮液進(jìn)行連續(xù)而劇烈地?cái)嚢?，也可以在流?dòng)回路中泵送來(lái)模擬在線研究。ZetaProbe配有電腦控制的注射器，可以使用酸和堿等試劑或表面活性劑或分散劑溶液進(jìn)行滴定。這是該設(shè)備的一大優(yōu)勢(shì)。在幾分鐘內(nèi)可以很容易地獲得可重現(xiàn)且可靠的Zeta電位與pH或添加劑劑量的函數(shù)曲線圖（時(shí)間主要受顆粒表面與本體溶液平衡速度的限制）。

參考文獻(xiàn)

1. Greenwoods, R. (2003) “Review of the measurement of zeta potentials in concentrated aqueous suspensions using electroacoustics” Advances in Colloid and Interface Science 106 55-

電聲法Zeta電位分析儀 

ZetaProbe是一款易上手，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確的Zeta 電位分析儀。對(duì)于高達(dá)60%v/v濃度的樣品。也無(wú)需稀釋或樣品前處理即可直接測(cè)量，甚至對(duì)于漿糊、凝膠、水泥以及用其它儀器很難測(cè)量的材料都可用ZetaProbe直接進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)量參數(shù)

- Zeta電位

- 動(dòng)態(tài)遷移率

- 電導(dǎo)率

- pH 值

- 溫度

- 等電點(diǎn)（IEP)

大昌華嘉科學(xué)儀器部

大昌華嘉儀器部專(zhuān)業(yè)提供分析儀器及設(shè)備，代理眾多歐美先進(jìn)儀器，產(chǎn)品范圍包括：顆粒，物理，化學(xué)，生化，通用實(shí)驗(yàn)室的各類(lèi)分析儀器以及流程儀表設(shè)備，在中國(guó)的石化，化工，制藥，食品，飲料，農(nóng)業(yè)科技等諸多領(lǐng)域擁有大量用戶(hù)，具有良好的市場(chǎng)聲譽(yù)。我們的業(yè)務(wù)逐年增加，市場(chǎng)不斷擴(kuò)大。大昌華嘉公司在中國(guó)設(shè)有多個(gè)銷(xiāo)售，服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)，旨在為客戶(hù)提供全方位的產(chǎn)品和服務(wù)。