胶体体系稳定性测量方法综述_陈铖.pdf

胶体体系稳定性测量方法综述陈 铖,鲍志蕾,李 钢(江西陶瓷工艺美术职业技术学院,江西 景德镇 3 3 3 4 0 0)摘 要:综述了胶体体系稳定性测量方法,分析影响胶体体系稳定性的因素。关键词:稳定性;胶体;z e t a电位;比浊法;光谱学中图分类号:O6 4 8.1 文献标志码:B 文章编号:2 0 9 5 9 6 9 9(2 0 2 2)0 6 0 0 4 3 0 31 胶体体系的稳定性胶体体系的稳定性可以用D e r j a g u i n,L a n d a u,V e r w e y,O v e r b e e k理论(D L VO)来描述1 2。该理论以胶体溶液中粒子的相互作用能3来表征稳定性。粒子间的相互作用可分为范德华引力和静电斥力两种。如果斥力之和大于引力之和,则可以认为所描述的系统是稳定的4。而当引力大于斥力时,粒子相互黏附,导致絮凝发生5。不同物质的加入以及浓度、离子强度或p H等因素都可以改变相互作用的总势能6。在大分子添加的情况下,胶体悬浮液的稳定性取决于稳定机制。稳定机制可分为:空间稳定、电空间稳定和空缺稳定7。空间和电空间稳定机制适用于聚合物附着在粒子表面的情况。在空间稳定的情况下,吸附聚合物不具有静电荷。电空间稳定是指聚合物具有离子性质的体系8。最后一种机制是空缺稳定,适用于聚合物不吸附在固体颗粒上的情况。游离的聚合物链可以产生不同的结构,它们被放置在固体颗粒之间,导致颗粒之间的吸引力下降,从而影响稳定性9。虽然大分子的加入可能导致体系稳定度的增加,但也可能导致体系的不稳定。与稳定过程相反的是絮凝,当引力的总和大于斥力的总和时发生絮凝。聚合物引起的絮凝主要有两种类型,有桥接絮凝和空缺絮凝。当两个或两个以上的胶体颗粒通过吸附在固体表面的聚合物链连接在一起时,会发生桥接絮凝,导致体系聚集。空缺絮凝是指固体颗粒在某些游离未吸附大分子作用下的聚集1 6。2 测定稳定性的方法简介最常见的方法是紫外可见光谱、浊度测量、电位和密度测量。2.1 紫外可见光谱紫外可见光谱法是基于光束与物质的相互作用。当光通过溶液时,光束会发生吸收、折射和反射等现象。该方法的原理是测量光通过系统前后的光强。通过系统的光的强度(It)与通过系统前的光的强度(I0)之比称为透射率。用L a b e r t B e e r方程描述样品对电磁辐射的吸收A=k c l 其中A为吸光度;k为常数;c为溶液浓度;l为吸收层厚度。使用校准曲线法确定该组分的精确浓度。在胶体稳定性测量的情况下,方法略有不同。在这种情况下,浓度并不重要。吸光度的值表示系统在时间上是否稳定。为了描述胶体体系(如氧化物悬浮液)在加入不同物质前后的稳定性,需要检查未加入添加剂的悬浮液的吸光度,并将得到的曲线与加入不同分子后的曲线进行比较。如果体系在加入聚合物第3 7卷 第6期2 0 2 2年1 2月 景德镇学院学报J o u r n a l o f J i n g D e Z h e nU n i v e r s i t y V o l.3 7N o.6D c e.2 0 2 2收稿日期:2 0 2 2 0 8 2 8基金项目:江西省教育厅科技项目(G J J 2 1 4 3 0 1)作者简介:陈 铖(1 9 9 0),男,江西景德镇人。助教,本科,从事材料工程研究。或其他物质后更加稳定,则吸光度值会更高,并且在时间曲线上下降得更慢。在胶体悬浮液的情况下,方法描述为:如果通过的光束在其途中遇到固体粒子,它会经历折射、反射或吸收的过程,从而引起吸光度的变化。如果测量及时,则可以在整个实验过程中监测吸光度值。本文以P VA稳定氧化铝悬浮液作为实验对象,紫外可见分光光度法测定结果如图1所示,从图中看到两个不同区域。在第一个区域,从开始的1小时到大约6小时,显示出两种研究体系的吸光度迅速下降。在此之后,从6小时到1 5小时区间的第二个区域,吸光度值几乎稳定。图1 P VA的加入对氧化铝悬浮液吸光度及稳定性的影响氧化铝悬浮液在一定时间后被认为是不稳定的,因为固体颗粒在重力作用下开始聚合和絮凝。然而,加入P VA后,吸光度增加。这表明该聚合物提高了氧化铝悬浮的稳定性。这种方法的主要缺点是光束穿过悬浮液的一个点,得到的结果只涉及悬浮液的这一个点。因此,不可能确定透明层或沉淀物发生在哪里。2.2 比浊法浊度测定法是基于确定光源发出的光量与通过所测胶体体系后到达探测器的光量之间的关系。用于这种类型的测量的设备是垂直扫描浓缩液分散分析仪,它可以记录颗粒大小的变化,例如絮凝引起的变化。这些变化显示在曲线图上,显示了平均粒径随时间的变化和样品的详细分析(物理参数的测定,如迁移速度,沉积物厚度和t u r b i s c a n稳定指数 T S I的测定)。该装置是基于光的多次散射,其中光强度取决于分散相的体积分数和平均粒径。该仪器允许分析非常浓的分散剂(高达9 5%),具有广泛的颗粒尺寸检测范围(从1 0 n m到1 mm)。它由一个装有发光二极管(波长8 8 0 n m)的头部,两个用于检测透明(透过率)和较浓(反向散射)色散的同步探测器组成(图2)。图2 垂直扫描浓缩液稳定性的测量示意图一个是透射探测器记录光以相对于入射光方向为0 的角度通过探头的情况。另一个是反向散射探测器记录1 3 5 角散射的光通过情况。与其他方法相比,该装置的最大优点是顶部垂直扫描整个样品,这使得能够非常准确地测定系统的稳定絮凝性能。测量结果以透射强度和反向散射强度随时间变化的曲线形式呈现。如果所有样品的透射率都大于2%,则根据透射图计算稳定性参数 t u r b i s c a n稳定性指数(T S I)。该参数考虑实验过程中所有的单次测量值,T S I值由它们的平均值得到。该参数的计算公式如下:T S I=ni=1(xi-xB S)2n-1 式中:xi为每分钟测量的平均反向散射;xB S为xi平均值,n为扫描次数。T S I值的变化范围为0 1 0 0。T S I越高,系统越不稳定。2.3 电动电势测量测定各种胶体体系稳定性的另一种方法是测定电泳迁移率,该迁移率可转化为z e t a电位。z e t a电位可以描述为在滑移面上测得的电动电位(图3)。图3 双电层结构示意图双电层的滑动面向本体溶液移动越多,电势44 景德镇学院学报 2 0 2 2年第6期越小。溶液中不同大分子或离子的加入进一步推动滑移面,导致z e t a电位的降低。研究表明,当z e t a电位大于3 0 mV时,系统被认为是完全稳定的。如前所述,为了保持胶体悬浮液的稳定性,斥力必须大于引力。如果远程静电斥力的能量足够高,布朗运动不需要固体粒子聚集就能发生。z e t a电位的测量是基于电泳迁移现象,通过测量分子在外加电场作用下移动时的速度来获得。如果施加电场,粒子和分子就会向电极迁移。在大多数仪器中使用的技术被称为电泳光散射(E L S)。当带电粒子在外加电场中来回运动时,观察到散射光强度随多普勒效应的变化。根据ka参数,z e t a势由三个不同的方程计算,分别是S m o l u c h o w s k i,H e n r y和H c k e l方程。该参数由粒子半径与双电层半径的关系来描述。当ka参数大于1 0 0时(主要适用于大颗粒胶体),应采用S m o l u c h o w s k i方程:ue=式中:ue为电泳迁移率;为介电常数;为电势;为溶液黏度。如果ka参数在0.11 0 0之间应该使用H e n r y方程:ue=23f(ka)式中:f(ka)为ka参数的函数。对于颗粒很小,ka参数小于0.1的情况时,参数可以忽略,使用H c k e l公式:ue=23f(ka)3 结论如上所述,胶体体系的稳定性是工业生产的必要条件。这种系统的普遍存在引起了一些用于研究胶体稳定性的新方法发展。上述描述的方法在工业的不同分支中都是常用的。如何选择测试方法,需要根据所制备的对象来制定策略。参考文献:1D e r a g u i n,B.V.a n dL.L a n d a u,T h e o r yo ft h es t a b i l i t yo fs t r o n g l yc h a r g e dl y o p h o b i cs o l s a n d o ft h e a d h e s i o n o fs t r o n g l yc h a r g e dp a r t i c l e si ns o l u t i o no fe l e c t r o l y t e sE B/O L.A c t aP h y s i c o c h i m:U S S R,1 9 4 1.1 4:6 3 3 6 6 2.2V e r w e y,E.J.W.,T h e o r yo ft h es t a b i l i t yo fl y o p h o b i cc o l l o i d sJ.T h eJ o u r n a l o fP h y s i c a lC h e m i s t r y,1 9 4 7,5 1(3):6 3 1 6 3 6.3S o n g,S.I.a n dB.C.K i m,C h a r a c t e r i s t i c r h e o l o g i c a l f e a t u r e so fP VAs o l u t i o n s i nw a t e r c o n t a i n i n gs o l v e n t sw i t hd i f f e r e n th y d r a t i o ns t a t e sJ.P o l y m e r,2 0 0 4,4 5(7):2 3 8 1 2 3 8 6.4S c h e u t j e n s,J.a n dG.F l e e r,I n t e r a c t i o nb e t w e e nt w oa d-s o r b e dp o l y m e rl a y e r sJ.M a c r o m o l e c u l e s,1 9 8 5,1 8(1 0):1 8 8 2 1 9 0 0.5H u h a,M.A.a n dJ.A.L e w i s,P o l y m e re f f e c t so nt h ec h e-m o r h e o l o g i c a l a n dd r y i n gb e h a v i o ro f a l u m i n a p o l y(v i n y l a l-c o h o l)g e l c a s t i n gs u s p e n s i o n sJ.J o u r n a lo ft h e Am e r i c a nC e r a m i cS o c i e t y,2 0 0 0,8 3(8):1 9 5 7 1 9 6 3.6A y a d i,A.J.,C.P a g n o u x,a n dS.B a k l o u t i,K a o l i n p o l y(m e t h a c r y l i c)a c i di n t e r a c t i o n:P o l y m e rc o n f o r m a t i o na n dr h e o l o g i c a lb e h a v i o rJ.C o m p t e sR e n d u sC h i m i e,2 0 1 1,1 4(5):p.4 5 6 4 6 1.7N a p p e r,D.H.,P o l y m e r i cs t a b i l i z a t i o no fc o l l o i d a ld i s p e r-s i o n sJ.V o l,3.1 9 8 3:A c a d e m i cP r e s s.8V i n c e n t,B.,T h e