本文隸屬于電池行業(yè)應(yīng)用專(zhuān)題，全文共 3274字，閱讀大約需要 10 分鐘

摘要：納米二氧化硅（SiO?）是油墨、涂料等行業(yè)的常用多功能材料，其分散體的儲(chǔ)存穩(wěn)定性直接關(guān)系到最終產(chǎn)品性能。傳統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法耗時(shí)久且難以實(shí)現(xiàn)量化評(píng)估，存在一定局限。本研究借助 LUMiSizer 全功能型穩(wěn)定性分析儀，基于其空間時(shí)間解析消光圖譜（STEP）技術(shù)，系統(tǒng)考察了不同類(lèi)型的聚陽(yáng)離子對(duì)疏水型氣相二氧化硅（AEROSIL® OX 50）分散體穩(wěn)定性的影響。通過(guò)該儀器可直接獲取沉降速度、積分透射率曲線等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分散體穩(wěn)定性的定量評(píng)估與貨架期預(yù)測(cè)，同時(shí)明確了聚陽(yáng)離子類(lèi)型及濃度，為納米二氧化硅分散體的配方篩選及優(yōu)化提供了有效的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：納米二氧化硅；穩(wěn)定性分析儀；LUMiSizer ；配方篩選

納米二氧化硅憑借高比表面積、優(yōu)異的分散性，在填料、加工助劑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但其分散體易因顆粒團(tuán)聚失去穩(wěn)定性，需通過(guò)添加聚陽(yáng)離子等分散劑調(diào)控界面作用。傳統(tǒng)評(píng)估方法（如濁度測(cè)量、沉降瓶實(shí)驗(yàn)）僅能定性觀察分層，無(wú)法快速捕捉 “絮凝 - 穩(wěn)定" 轉(zhuǎn)化過(guò)程，且難以量化穩(wěn)定性參數(shù)。

LUMiSizer 依托離心沉降原理加速分散體分層，通過(guò) 870nm 近紅外光實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品管全程透光率變化，結(jié)合 SEPView 軟件與斯托克斯定律直接計(jì)算沉降速度。該設(shè)備僅需數(shù)小時(shí)即可完成傳統(tǒng)方法需數(shù)天、數(shù)月甚至數(shù)年的測(cè)試，還能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)產(chǎn)品貨架期，有效解決傳統(tǒng)方法效率低下、數(shù)據(jù)模糊的核心痛點(diǎn)，為聚陽(yáng)離子篩選及分散體穩(wěn)定性評(píng)估提供全新技術(shù)方案。

• 核心設(shè)備：LUMiSizer 全功能分散體系分析儀、UP200s 超聲波處理器、高速離心機(jī)。

  
  

• LUMiSizer 測(cè)試原理：采用 STEP 技術(shù)（空間時(shí)間消光圖譜法），以 870nm 近紅外光照射樣品，通過(guò)兩千多個(gè)光信號(hào)探測(cè)單元同步記錄整個(gè)樣品管長(zhǎng)度上的光透射率隨時(shí)間和位置的變化。配套 SEPView 軟件依據(jù)斯托克斯定律，通過(guò)分析圖譜計(jì)算顆粒沉降速度、不穩(wěn)定性指數(shù)，進(jìn)而量化分散體穩(wěn)定性，同時(shí)可預(yù)測(cè)重力條件下的貨架期。

• 納米顆粒：親水性氣相二氧化硅 Aerosil OX 50，初始粒徑 40nm，比表面積 50m2/g，分散體固含量 10g/L。

  
  

• 聚陽(yáng)離子試劑：選取 5 種聚陽(yáng)離子（表 1），涵蓋高電荷（PDADMAC）、中等電荷（3 種 PVB 衍生物）、低電荷（兩性三元共聚物 TP）類(lèi)型，其中 PVB 衍生物差異在于疏水側(cè)鏈，TP 含陰陽(yáng)非離子單元。

表 1 聚陽(yáng)離子基本特性

1. 分散體制備：將二氧化硅顆粒加入不同濃度聚陽(yáng)離子溶液，4kHz超聲分散5分鐘，制備分散體樣品。

   
   

2. LUMiSizer 測(cè)試參數(shù)：離心轉(zhuǎn)速3000RPM，溫度 20℃，測(cè)試時(shí)長(zhǎng) 3600s，數(shù)據(jù)采集間隔為10s，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)試至少2次；同步用傳統(tǒng)沉降瓶、濁度儀等方式測(cè)試分散體系。

   
   

3. ①通過(guò)積分透射率曲線批（反映分層速度，斜率越低穩(wěn)定性越強(qiáng)）評(píng)估分散體系穩(wěn)定性；

   ②預(yù)測(cè)貨架期（基于加速離心數(shù)據(jù)外推重力條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性）。

圖1 未添加聚陽(yáng)離子的二氧化硅分散體透射率指紋圖譜

通過(guò)圖2（a）透射率指紋圖譜可以看到，低濃度PDADMAC 聚陽(yáng)離子（0.0032g/L）分散體透光率在短時(shí)間內(nèi)（20 s）快速升高，表明顆粒大量絮凝、快速沉降；隨著聚陽(yáng)離子濃度升高（≥0.032g/L），透光率隨時(shí)間和位置的變化趨于平緩，說(shuō)明顆粒表面吸附過(guò)量聚陽(yáng)離子后帶正電，因靜電排斥重新穩(wěn)定，分散體不再發(fā)生快速沉降，和 “電荷反轉(zhuǎn)后再穩(wěn)定" 的機(jī)理相匹配。

圖2 不同濃度PDADMAC聚陽(yáng)離子（g/L）下二氧化硅分散體透射率指紋圖譜

結(jié)合圖3的積分透光率動(dòng)力學(xué)曲線，斜率越大，說(shuō)明透光率上升越快（顆粒沉降/聚集越劇烈），分散體越不穩(wěn)定；斜率越小，分散體越穩(wěn)定。當(dāng)未添加聚合物或低PDADMAC 濃度（0.0032 g/L）時(shí)，曲線斜率大，對(duì)應(yīng)絮凝/快速沉降，代表分散體不穩(wěn)定；而高 PDADMAC 濃度（如0.32、1.6g/L）時(shí)，曲線斜率小，對(duì)應(yīng)了電荷反轉(zhuǎn)后穩(wěn)定分散，體現(xiàn)了分散體穩(wěn)定性的提升。

圖3 不同濃度PDADMAC聚陽(yáng)離子積分透光率動(dòng)力學(xué)曲線

與此同時(shí)，通過(guò)傳統(tǒng)測(cè)試方法驗(yàn)證，濁度（圖 4a）和上清液電荷（圖 4b）顯示，PDADMAC濃度對(duì)分散體穩(wěn)定性有顯著調(diào)控作用，隨著濃度變化分散體系呈現(xiàn)出“絮凝 - 澄清 - 再穩(wěn)定" 的過(guò)程。在 0.0032~0.0064 g/L 的相分離區(qū)間內(nèi)，顆粒聚集沉降，體系濁度驟降（濁度＜200UIN）；根據(jù)圖4（b）判斷，低濃度時(shí)顆粒因負(fù)電未被中和而聚集，高濃度時(shí)因吸附過(guò)量正電聚合物而靜電排斥再穩(wěn)定。

圖4 傳統(tǒng)方法（濁度-電荷）測(cè)試PDADMAC濃度對(duì)分散體穩(wěn)定性的影響

由此可知，LUMiSizer的量化結(jié)果與傳統(tǒng)測(cè)試結(jié)論保持一致 —— 低濃度聚陽(yáng)離子引發(fā)快速絮凝，高濃度因電荷反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)再穩(wěn)定。同時(shí)，相較于傳統(tǒng)的測(cè)試方法，LUMiSizer 通過(guò)STEP技術(shù)，能將如下幾個(gè)方面做的更好：

• 效率更高：本文中傳統(tǒng)方法需長(zhǎng)達(dá)20小時(shí)的靜置來(lái)觀察最終結(jié)果，而LUMiSizer 通過(guò)離心加速分層，1 小時(shí)內(nèi)即可完成檢測(cè)，大幅縮短實(shí)驗(yàn)周期；

• 表征更全面：傳統(tǒng)濁度法僅能通過(guò)濁度值間接反映樣品分散狀態(tài)，而 LUMiSizer 可借助空間 - 時(shí)間消光圖譜，全面且同步記錄樣品透光程度隨位置與時(shí)間的變化，直接獲取沉降速度、界面遷移等關(guān)鍵動(dòng)態(tài)參數(shù)。

• 定量更精準(zhǔn)：傳統(tǒng)測(cè)試方法法難以精準(zhǔn)量化分散體穩(wěn)定性，LUMiSizer 則可通過(guò)積分透光曲線斜率定量表征穩(wěn)定性，還能關(guān)聯(lián)離心力與重力，直接預(yù)測(cè)貨架期。

• 處理更高效：傳統(tǒng)濁度法需單獨(dú)制備樣品，LUMiSizer 最多可同時(shí)測(cè)試 12 個(gè)樣品，便于快速對(duì)比分析不同聚合物濃度、類(lèi)型對(duì)分散體系穩(wěn)定性的影響。

三種 PVB 衍生物（PVB-TMAC、PVB-DMBAC、PVB-PYC）的穩(wěn)定行為與 PDADMAC 相似，但存在結(jié)構(gòu)特異性：

• 根據(jù)圖5和表2可知，當(dāng)濃度為7.5g/L 時(shí)，PVB-TMAC 與 PVB-PYC 的界面位置在 3600s 時(shí)僅上升 5mm，斜率分別為 7.9μm/s、7.8μm/s，穩(wěn)定性好；而PVB-DMBAC 因高疏水側(cè)鏈，濃度略低（5g/L），斜率 8.25μm/s，但高濃度下無(wú)穩(wěn)定性衰減（與 PDADMAC 差異顯著）。

圖5 不同濃度 PVB 衍生物的分散體界面位置隨時(shí)間變化曲線

表2 不同聚陽(yáng)離子類(lèi)型分散體的斜率（μm/s）對(duì)比

（注：空白分散體斜率為 20.7μm/s）

低陽(yáng)離子電荷的 TP 同樣能有效穩(wěn)定二氧化硅分散體（圖 7）：

• TP 的相分離區(qū)間為0.02-0.06g/L，高于 PDADMAC 和 PVB 衍生物；

• 隨著 TP 濃度升高，分散體穩(wěn)定性持續(xù)提升，高濃度時(shí)表現(xiàn)出穩(wěn)定效果，無(wú)穩(wěn)定性下降現(xiàn)象；

• 對(duì)比不同聚合物的斜率值（積分透射率隨時(shí)間的增長(zhǎng)速率），TP 體系的斜率低（表 2），表明其穩(wěn)定效果好

圖7  TP 濃度對(duì)二氧化硅分散體穩(wěn)定性的影響（積分透射率曲線）

聚合物電荷密度與分散體穩(wěn)定性密切相關(guān)（圖 8）：隨著聚合物電荷密度增加，分散體斜率逐漸降低，穩(wěn)定性提升，表明靜電排斥是主要穩(wěn)定機(jī)制。但相同電荷含量下，PVB 衍生物和 TP 的穩(wěn)定效果優(yōu)于 PDADMAC，說(shuō)明穩(wěn)定機(jī)制還包括空間位阻作用。尤其是 TP，其低電荷密度但強(qiáng)空間位阻效應(yīng)，使其成為好的穩(wěn)定劑。

圖 8 聚合物電荷對(duì)分散體穩(wěn)定性的影響

基于 LUMiSizer 測(cè)試數(shù)據(jù)，可預(yù)測(cè)不同分散體的在常溫下的貨架期（圖 9）：

• 空白分散體的貨架期僅1小時(shí)；

• 5g/L PDADMAC 或 PVB 衍生物穩(wěn)定的分散體，貨架期延長(zhǎng)至約10小時(shí)；

• 5g/L TP 穩(wěn)定的分散體，貨架期可達(dá) 15 小時(shí)，進(jìn)一步驗(yàn)證了 TP 的優(yōu)異穩(wěn)定性能。

圖9 不同聚合物濃度下分散體的預(yù)測(cè)貨架期

1. LUMiSizer 全功能型穩(wěn)定性分析儀憑借 STEP 技術(shù)，能夠直接采集沉降速度、積分透射率曲線等核心數(shù)據(jù)，快速表征各類(lèi)納米二氧化硅分散體的穩(wěn)定性，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)產(chǎn)品貨架期。該設(shè)備為分散體配方的篩選與優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，相比傳統(tǒng)方法，檢測(cè)效率實(shí)現(xiàn)顯著提升。

2. 本文中，兩性三元共聚物 TP 因兼具靜電排斥和空間位阻作用，表現(xiàn)出好的穩(wěn)定性能，其穩(wěn)定的分散體貨架期最長(zhǎng)，是納米二氧化硅分散體的理想穩(wěn)定劑。

3. 所有測(cè)試聚陽(yáng)離子均可通過(guò)靜電排斥作用穩(wěn)定納米二氧化硅分散體，但穩(wěn)定性受聚合物濃度和結(jié)構(gòu)顯著影響：低濃度時(shí)易引發(fā)絮凝，中高濃度時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定；PDADMAC 在高濃度下穩(wěn)定性下降，而 PVB 衍生物和 TP 在高濃度下仍保持良好穩(wěn)定效果。