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使用ZetaProbe控制顆粒聚集

麥奇克/Microtrac 2024-01-16 | 閱讀：1175

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)百萬次。如果它們之間沒有排斥力,，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)大的排斥力來阻止聚集,，它在許多方面表現(xiàn)得像簡單的液體,。例如：

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

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

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)可以通過搖晃懸浮液來輕松打破,。

4. 同樣的過程也可能發(fā)生在過濾中,。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,，如果目的是過濾掉顆粒或生產(chǎn)漿料,，那么通過搖動(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,。可以使用非離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阻止凝聚,?；蛘撸梢允褂秒姾蓙碓黾优懦饬?。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)問題。

大多數(shù)人在過程控制中都意識(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 ,，但大多還沒有意識(shí)到必須控制的是Zeta電位,。

如果沒有更好的方法，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測量氧化鋁，氧化鈦和氧化硅顆粒的Zeta對(duì)pH的測量,。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型,。因此,，對(duì)于穩(wěn)定性所需的pH范圍沒有通用的規(guī)則，每個(gè)懸浮液的 Zeta曲線必須單獨(dú)測量,。

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 沒有意義,。

即使在使用非離子組分來控制分散的情況下，Zeta電位通常也會(huì)隨著這些分子的吸附而降低,，因此Zeta電位測量可用于監(jiān)測表面覆蓋所需的量,。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)測量 Zeta 電位將是控制這些工業(yè)過程的理想方法,。過去的問題是難以獲得懸浮液中顆粒的Zeta電位的可靠測量值,。幾乎所有其他測量 Zeta 的設(shè)備都依賴于傳統(tǒng)的光學(xué)方法來觀察外加電場中的粒子運(yùn)動(dòng)來確定 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),。測量前不再需要稀釋樣品。ZetaProbe 可以測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得結(jié)果,。

由于高濃懸浮液中的顆粒或液滴具有較大的表面積,，因此不存在污染問題,，且最終的測量結(jié)果非常可靠,。用光學(xué)方法,，可以對(duì)少量的單個(gè)粒子進(jìn)行測量，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,，無需通過一些額外的測量來估測粒徑，并有正確的粒徑來進(jìn)行合理的 Zeta 計(jì)算,。該儀器能夠?qū)α阶龀龀浞值墓罍y并將其代入Zeta計(jì)算,。該估算是使用我們專利的多頻電聲技術(shù)進(jìn)行的，其他電聲設(shè)備無法進(jìn)行此類測量,。

在測量過程中,，對(duì)懸浮液進(jìn)行連續(xù)而劇烈地?cái)嚢瑁部梢栽诹鲃?dòng)回路中泵送來模擬在線研究,。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。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,，操作簡單，測量準(zhǔn)確的Zeta 電位分析儀,。對(duì)于高達(dá)60%v/v濃度的樣品,。也無需稀釋或樣品前處理即可直接測量，甚至對(duì)于漿糊,、凝膠,、水泥以及用其它儀器很難測量的材料都可用ZetaProbe直接進(jìn)行測量。

測量參數(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

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