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【行業(yè)應(yīng)用】分散體系pH對(duì)納米二氧化鈦顆粒分散穩(wěn)定性的影響

2024-07-25

納米TiO2顆粒因其獨(dú)特的光催化、紫外線屏蔽和小尺寸等特性,在各領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而,由于納米顆粒的高比表面積和表面能,容易導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象,從而影響在低滲透油田壓增注、涂料制備、廢水處理等工業(yè)應(yīng)用。納米TiO2性能主要受顆粒分散穩(wěn)定性影響。解決納米顆粒的分散穩(wěn)定性問(wèn)題成為實(shí)現(xiàn)其特殊性能的關(guān)鍵。



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  圖1.TiO2分散體系初始狀態(tài)和靜置24小時(shí)后狀態(tài)


為了充分發(fā)揮納米顆粒在流變、成膜、潤(rùn)濕等方面的獨(dú)特性能,解決納米TiO2顆粒在分散體系中的穩(wěn)定性問(wèn)題至關(guān)重要。實(shí)際生產(chǎn)中,納米顆粒的分散液可能會(huì)處于不同的酸堿環(huán)境中。因此,本研究旨在利用BeScan Lab穩(wěn)定性分析系統(tǒng),采用多重光散射方法,更全面地評(píng)估納米TiO2顆粒分散液在不同pH值條件下的分散穩(wěn)定性效果。

原理和方法:


使用丹東百特儀器有限公司研制的BeNano 180 Zeta Pro納米粒度及Zeta電位分析儀檢測(cè)樣品在不同pH環(huán)境中Zeta電位,同時(shí)使用BeScan Lab穩(wěn)定性分析儀檢測(cè)樣品的穩(wěn)定性信息,其中BeScan Lab具有透射方向(T)和背向(BS)探測(cè)器,通過(guò)隨時(shí)間掃描不同樣品位置的信號(hào)還可以得到定量的不穩(wěn)定性指數(shù)IUS:


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IUS值越大,說(shuō)明樣品體系的變化越大,穩(wěn)定性越差。

實(shí)驗(yàn):

使用酸堿將TiO2(0.5%重量濃度)水分散液調(diào)節(jié)至pH=2、4、6、8、10,對(duì)于樣品進(jìn)行電位和穩(wěn)定性測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果和討論:

Zeta 電位測(cè)試結(jié)果:

表1. 電位測(cè)試結(jié)果

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可以看出,納米TiO2顆粒呈現(xiàn)負(fù)電性。隨著pH值的變化,Zeta電位發(fā)生了明顯的變化,當(dāng)pH為2時(shí),電位絕對(duì)值很低,隨著pH的增加,分散液的Zeta電位顯著升高。

多重光散射掃描和分析結(jié)果:

原始信號(hào)

得到TiO2水分散液在25℃溫度下的透散光信號(hào)(T)和背散射光信號(hào)(BS)在樣品高度隨時(shí)間的變化圖譜:


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圖2. pH=2樣品的透射光和散射光原始信號(hào)


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                圖3. pH=6的TiO2水分散液的透射光和散射光原始信號(hào)


圖2和圖3分別顯示pH=2和6的TiO2的透射光和背散光原始信號(hào)隨位置變化的詳細(xì)信息。從圖2的透射光譜可以看出pH=2時(shí),體系非常不穩(wěn)定,分散體系很快由渾濁變得透明,這表明體系中納米顆粒沉降速度非常迅速,顆粒的團(tuán)聚發(fā)生的很快,并且變成大顆粒聚集在樣品的底部。而pH為6的體系, TiO2的水分散液在一個(gè)小時(shí)內(nèi)觀察不到明顯顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象,透射光幾乎為0,其在背散射光方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的靈敏性,因而可以通過(guò)監(jiān)測(cè)背散射參比信號(hào)(dBS)的變化,深入研究的TiO2的分散體系物理穩(wěn)定性特征。

參比信號(hào)

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圖4. pH=6的TiO2水分散液的背散光參比信號(hào)


圖4展示了pH=6的TiO2水分散液背散射光信號(hào)變化(dBS)。通過(guò)圖中的觀察,可以看出:

>>在樣品底部,背散光信號(hào)顯著增強(qiáng);

>>在樣品中部,背散光信號(hào)有輕微的平行下降的特征;

>>在樣品頂部,背散光信號(hào)下降;

這表明樣品發(fā)生明顯團(tuán)聚和沉降的過(guò)程。

整體IUS不穩(wěn)定指數(shù)

通過(guò)不穩(wěn)定指數(shù)(IUS),可以追蹤樣品中隨時(shí)間發(fā)生的理化特性的動(dòng)力學(xué)變化。IUS指數(shù)的計(jì)算綜合考慮了樣品中各種變化的程度。可以看出樣品的不穩(wěn)定性指數(shù)與環(huán)境pH具有較高相關(guān)性。


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圖5. 不同pH下的TiO2水分散體系頂部IUS隨時(shí)間的變化曲線



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                                                                                           圖6. 不同pH下的TiO2水分散體系Zeta電位(a)和頂部IUS(b)的變化曲線


圖6為樣品的Zeta電位 vs pH曲線,以及不穩(wěn)定性指數(shù)IUS vs pH曲線,可以看出樣品的Zeta電位與其不穩(wěn)定性相關(guān)性極大。Zeta電位越低通常意味著樣品越不穩(wěn)定,其變化越劇烈。

總結(jié):


BeScan Lab穩(wěn)定性分析系統(tǒng)提供了一種簡(jiǎn)便、快速且定量化的評(píng)估方法,用于分析不同pH條件下納米TiO2水分散體系的穩(wěn)定性。測(cè)試表明,在pH>6時(shí),分散體系Zeta電位較高,同時(shí)具有較好的穩(wěn)定性最優(yōu),而當(dāng)pH較低時(shí)體系Zeta電位較低,穩(wěn)定性也較差。結(jié)合BeNano系列納米粒度及Zeta電位分析儀與BeScan Lab穩(wěn)定性分析儀能夠迅速提供體系穩(wěn)定性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)并研究其背后的原因