分散液pH對納米二氧化鈦顆粒分散穩(wěn)定性的影響

納米TiO₂顆粒因其獨特的光催化、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)定性問題成為實現(xiàn)其特殊性能的關(guān)鍵。

圖1.TiO₂分散體系初始狀態(tài)和靜置24小時后狀態(tài)

為了充分發(fā)揮納米顆粒在流變、成膜、潤濕等方面的獨特性能，解決納米TiO₂顆粒在分散體系中的穩(wěn)定性問題至關(guān)重要。實際生產(chǎn)中，納米顆粒的分散液可能會處于不同的酸堿環(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電位分析儀檢測樣品在不同pH環(huán)境中Zeta電位，同時使用BeScan Lab穩(wěn)定性分析儀檢測樣品的穩(wěn)定性信息，其中BeScan Lab具有透射方向（T）和背向（BS）探測器，通過隨時間掃描不同樣品位置的信號還可以得到定量的不穩(wěn)定性指數(shù)I_US：

I_US值越大，說明樣品體系的變化越大，穩(wěn)定性越差。

實驗：

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，對于樣品進行電位和穩(wěn)定性測試。

測試結(jié)果和討論：

1. Zeta 電位測試結(jié)果：

表1. 電位測試結(jié)果

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，電位絕對值很低，隨著pH的增加，分散液的Zeta電位顯著升高。

2. 多重光散射掃描和分析結(jié)果：

1. 原始信號

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

圖2. pH=2樣品的透射光和散射光原始信號

圖3. pH=6的TiO₂水分散液的透射光和散射光原始信號

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，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的水分散液在一個小時內(nèi)觀察不到明顯顆粒團聚現(xiàn)象，透射光幾乎為0，其在背散射光方面表現(xiàn)出較強的靈敏性，因而可以通過監(jiān)測背散射參比信號(dBS)的變化，深入研究的TiO₂的分散體系物理穩(wěn)定性特征。

2. 參比信號

圖4. pH=6的TiO₂水分散液的背散光參比信號

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

l 在樣品底部，背散光信號顯著增強；

l 在樣品中部，背散光信號有輕微的平行下降的特征；

l 在樣品頂部，背散光信號下降；

這表明樣品發(fā)生明顯團聚和沉降的過程。

3. 整體I_US不穩(wěn)定指數(shù)

通過不穩(wěn)定指數(shù)（I_US），可以追蹤樣品中隨時間發(fā)生的理化特性的動力學(xué)變化。I_US指數(shù)的計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。

圖 5. 不同pH下的TiO₂水分散體系頂部I_US隨時間的變化曲線

a）                        b)

圖 6. 不同pH下的TiO₂水分散體系Zeta電位（a）和頂部I_US  (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)I_US 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)提供了一種簡便、快速且定量化的評估方法，用于分析不同pH條件下納米TiO₂水分散體系的穩(wěn)定性。測試表明，在pH>6時，分散體系Zeta電位較高，同時具有較好的穩(wěn)定性，而當(dāng)pH較低時體系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。