颗粒电荷的理解和有效利用

-解释了Stabino II提供的快速和方便的电荷滴定概念

在微细的分散体系中，带有相同电荷的颗粒间的静电排斥力决定了体系抗凝聚和凝结的稳定性，表征带电颗粒界面的特性是必须的。当颗粒通过端基离子功能化后，总电荷和电荷密度都是需要了解的重要参数。电荷的测量是通过某种方式产生电动学信号，根据实验的应用需求，Zeta电位的测量方法通常有电泳法，电声法和声阻法Zeta电位，以及Stabino II中的流动电势。这些专业术语是我们在测量电荷参数中最常被提及的是由作用于粒子界面的双离子层的剪切力而引起的(见下图1)。所有这些测试都和位于剪切面的颗粒界面电位（PIP，也被称为Zeta电位）成正比。为了得到界面电势，需要在电泳或者电声法中生成电场，或者在流动电势和声阻法实验中生成机械应力。通过这种方式，可以带走溶液中外层的松散结合的离子，使界面电荷“敞开”可测量。

图1

电荷滴定的目的

依赖于粒度范围，Zeta电位通过Smoluchowski,Henry或者其他方程计算。然而可以用于准确计算的粒度范围是有限的，特别是100nm以下，准确的计算过程还没有清楚地达成一致。而对于公式化实践来说很容易存疑，通常还是需要绝对值的。另外，PIP的单点测试并不能说明样品的全部问题。界面电位通常依赖于离子环境。严格来说，没有离子环境是无法定义颗粒的界面电势的。

PH值的微小变化可能会引起颜料悬浮液的不稳定， 尽管之前它的Zeta电位很高。因此，考察PIP随着影响电位的某种物质的量的滴定曲线是非常有用的。这可以是PH，离子型表面活性剂或者是某种聚电解质。说到这里，通过电荷滴定可以得到很多有用的结果，一种是确认分散体系的稳定和不稳定区域，另一种确定引起大分子或/和微粒反应的凝结剂或催化助剂的量。

流动电流电势测量

图2：流动电势（SP）检测的设置原理：吸附在PTFE样品容器壁上的颗粒，其周围的离子云的移动，形成了电极间的流动电势（SP）

通过在圆柱体容器中上下移动柱塞，容器和柱塞间的液体上下流动。因为被固定颗粒界面的剪切力，使颗粒的离子云运动如上所示。颗粒的静止由大分子或者小颗粒吸附在容器壁上或者大颗粒的惯性形成。在样品底部的静止区，不存在这样的离子位移。因此，在测试圆柱体底部和较高部分之间的振荡信号可以被获取。

流动电势（SP）信号的相位的交替变化与颗粒电荷的极性有关。根据不同的应用需求，可以进行聚电解质，PH或者盐的滴定。滴定和流动电流电势检测可以决定阳离子/阴离子的耗用量和等电点。分散体系的电位的零点或称等电点（IEP）以及滴定过程中消耗每种添加剂的最大量对我们实际的应用非常重要，。在滴定过程中，如果想知道哪种分散体系的更稳定，用户只要知道达到零电位或IEP添加剂的消耗量就可以确定。在另外一种应用情况下，当一个分散体系需要通过改变表面电荷来稳定，电荷滴定可以用于决定样品达到远离零点的稳定区域所需要的量，也可以通过设置分散体系的 PH到相应的值来实现。

图3：典型的滴定曲线：PH或者聚电解质滴定，找到颗粒电荷为零的点（IEP），或者分散悬浮液稳定的区间

电荷滴定中流动电势的高效性

混合、体系均质和信号测量都是在一个设备中，使Stabino II用作滴定非常高效。通常一个滴定过程所需时间仅为5-15分钟。

Stabino II流动电势的广泛适用性

看看SP方法可适用的粒度范围，很显而易见，SP是最广泛适用的方法：可以测量低至0.3nm的大分子溶液，同时上至300μm的颗粒悬浮液或乳液也可以测量。测量的电导率范围从几乎零到350mS/cm，样品浓度范围从0.01或者10%甚至于更高。样品的粘度上限可到300mPas，在此粘度下，其他的Zeta电位的测量方法通常向样品中滴加滴定溶液的混合效率是非常困难的。而Stabino II可以实现这样的粘度样品测量。而且对于Stabino II除了需要滴定剂的浓度，无需其他的样品参数就可以实现Zeta电位的测量和各种滴定剂的滴定，对于各种分散体系的稳定性提供了一种有力的表征方法。

图4：Stabino^®的基本设置，带有两个集成分配泵和两个储液罐的自动滴定。圆柱体样品容器带有两个凹槽，一个用于 PH电极，一个用于可选的Nano-flex仪器的180°DLS粒度探头(图上未显示)

在图5和6中显示了典型的滴定曲线。图5显示了用另一种聚电解质溶液进行的聚电解质滴定，图6则是蓝色颜料的PH滴定。

图５：聚电解质滴定，用0.001N PVS滴定0.001N的阳离子P-DADMAC至电荷零点