使用ZetaProbe控制颗粒聚集

一、聚集态和分散态悬浮液的特性

胶体颗粒处于不断运动的状态，它们每秒相互碰撞数百万次。如果它们之间没有排斥力，碰撞将导致粒子粘在一起，形成双聚物，并迅速发展成三聚物或更大的团聚体。很快，整个悬浮乳液可能会变成一个大的团聚体。另一种情况，聚集体（或称为絮凝体）可能会迅速沉降形成松散的沉积物，从而捕获大量的悬浮介质。

当悬浮液高度分散时，具有强大的排斥力来阻止聚集，它在许多方面表现得像简单的液体。例如：

1. 它通常具有与剪切速率无关的低粘度，因此它很容易流动并且不会“胶体化”。

2. 它可能很难过滤，要么是因为颗粒太小，它们能直接通过过滤器，要么因为它们进入过滤器并堵塞了孔隙。

3. 如果颗粒不是很密集，它们可能需要很长时间才能沉降。当它们沉降时，它们往往会形成致密的沉积物，可能很难重新分散。[这称为“结块”]。

不稳定（聚合）悬浮液的情况正好相反。这种悬浮液：

1. 几乎总是表现出不寻常的流动特性，具有比溶剂更高的粘度。该粘度将取决于悬浮液被剪切的速度。

2. 如果剪切力太小而无法分解体系时，它通常会表现得像固体。

3. 聚集体会迅速沉降，但它们会形成一个非常松散的开放网状结构，会捕获大量的水。这种结构可以通过摇晃悬浮液来轻松打破。

4. 同样的过程也可能发生在过滤中。固体很容易与大部分悬浮介质分离，但可能难以对剩余的滤饼进行脱水。

在处理胶体悬浮液的关键步骤中，聚集或分散状态决定了体系将如何响应。例如，如果目的是过滤掉颗粒或生产浆料，那么通过摇动容器可轻易将其分散，这需要聚集状态。但是，如果目的是生产易于泵送的胶体，则需要分散状态。在陶瓷胶体加工过程中，稳定的胶体也是更优的，因为这种浆料会产生强度更高的陶瓷^[1]。

二、控制聚合状态

如果粒子之间的排斥力足够强以克服范德华引力，则悬浮液是稳定的，因此为了控制聚集，有必要控制排斥力。

有许多方法可以增大这种斥力。可以使用非离子表面活性剂或中性聚合物吸附到颗粒上形成空间位阻屏障来阻止凝聚。或者，可以使用电荷来增加排斥力。在这种情况下，聚合通常有以下因素调控：

1. 调节溶液pH值

2. 添加离子表面活性剂

3. 添加带电聚合物

4. 添加易于吸附的离子，如聚磷酸盐

只要粒子表面存在电荷，它就会产生斥力，并且可能是排斥力的主要原因。在这些情况下，为了控制聚集过程必须控制Zeta电位。

pH值或可吸附离子浓度的微小变化都可能会影响有效表面电荷，从而影响聚集状态。因此，批次组分中杂质含量的微小变化或循环水成分的变化可能导致Zeta电位的显著变化。在控制不佳的情况下，这种变化会导致不同时期的不同表现形式。在某些情况下，配方必须是新鲜的（如在制备农业喷雾剂时），当使用不同盐成分的供水时，配方可能会出现问题。

大多数人在过程控制中都意识到在氧化物体系或涉及蛋白质或弱有机酸的系统中控制pH值的重要性 ，但大多还没有意识到必须控制的是Zeta电位。

如果没有更好的方法，pH值可以用作替代，但有时可能会产生很大的误导，因为Zeta通常也取决于其他参数，不仅仅是pH值。在胶体悬浮液中测量pH也很麻烦，因为pH计的探头相当脆弱且难以维护。

在静电稳定悬浮液体系中，Zeta电位提供了颗粒之间排斥力的度量。通常需要至少25 mV（正或负）的Zeta电位才能达到相对稳定的分散。

图1我们展示了ZetaProbe测量氧化铝，氧化钛和氧化硅颗粒的Zeta对pH的测量。氧化硅悬浮液在pH4以上稳定，氧化铝在pH8以下稳定，而氧化钛在距离等电点6的约2个pH单位处稳定。根据这些滴定曲线，很容易确定所需的pH范围，以产生稳定或聚集的悬浮液。请注意，这些曲线也取决于其他因素，例如悬浮电解液的浓度和类型。因此，对于稳定性所需的pH范围没有通用的规则，每个悬浮液的 Zeta曲线必须单独测量。

即使在使用非离子组分来控制分散的情况下，Zeta电位通常也会随着这些分子的吸附而降低，因此Zeta电位测量可用于监测表面覆盖所需的量。参考文献[1]包含许多使用Zeta电位控制离子和非离子分散剂水平的优秀实例。

三、为什么使用ZetaProbe来控制聚合？

实际上决定许多体系聚集或分散状态的是 Zeta 电位，因此很显然，直接和连续测量 Zeta 电位将是控制这些工业过程的理想方法。过去的问题是难以获得悬浮液中颗粒的Zeta电位的可靠测量值。几乎所有其他测量 Zeta 的设备都依赖于传统的光学方法来观察外加电场中的粒子运动来确定 Zeta。它们只能运用于非常稀的悬浮液。而稀释需要时间，并且通常会改变 Zeta 电位。

随着ZetaProbe的出现，这个问题得到了解决。该装置可以插入胶体悬浮液中，并在几秒钟内给出重复性好又可靠的 zeta 电位读数。测量前不再需要稀释样品。ZetaProbe 可以测量几乎任何浓度大于0.5%的悬浮液的 Zeta电位。高达60%体积浓度的乳液也能测得结果。

由于高浓悬浮液中的颗粒或液滴具有较大的表面积，因此不存在污染问题，且Z终的测量结果非常可靠。用光学方法，可以对少量的单个粒子进行测量，并寻求Zeta的平均值。即使使用光散射方法，采集的颗粒数量也相对较少。在ZetaProbe中，测量平均了数十亿个粒子。同一胶体的结果在样品与样品之间、批次与批次之间以及每一天之间都非常一致。因此，测量的Zeta的任何变化都表明胶体中的真实物理变化，而不是仪器影响。

与其他电声设备不同，无需通过一些额外的测量来估测粒径，并有正确的粒径来进行合理的 Zeta 计算。该仪器能够对粒径做出充分的估测并将其代入Zeta计算。该估算是使用我们专利的多频电声技术进行的，其他电声设备无法进行此类测量。

在测量过程中，对悬浮液进行连续而剧烈地搅拌，也可以在流动回路中泵送来模拟在线研究。ZetaProbe配有电脑控制的注射器，可以使用酸和碱等试剂或表面活性剂或分散剂溶液进行滴定。这是该设备的一大优势。在几分钟内可以很容易地获得可重现且可靠的Zeta电位与pH或添加剂剂量的函数曲线图（时间主要受颗粒表面与本体溶液平衡速度的限制）。

参考文献

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-