在陶瓷漿料、電池電極漿料、CMP拋光液、噴墨墨水等分散體系中，固體微粒能否穩(wěn)定地分散在液體中，而非沉降或結(jié)塊，直接決定了產(chǎn)品的性能、質(zhì)量與壽命。因此，表征和調(diào)控分散體系的穩(wěn)定性，成為生產(chǎn)和研發(fā)中至關(guān)重要的一環(huán)。Zeta電位作為衡量顆粒間互相作用力的重要參數(shù)，已經(jīng)成為評(píng)估體系穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。

Zeta電位是什么？

根據(jù)目前應(yīng)用最廣泛的描述溶液中微粒帶電性質(zhì)的理論——Stern雙電層理論，當(dāng)帶電顆粒分散在水中時(shí)，其表面會(huì)形成吸附雙電層。顆粒表面會(huì)先吸附帶相反電荷的離子形成一個(gè)緊密層，并且在緊密層外形成了一個(gè)由負(fù)電荷和正電荷組成的擴(kuò)散層。

固體顆粒和液體介質(zhì)之間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的界面叫做滑動(dòng)面，Zeta電位（ζ）表示該顆粒-液體界面的勢(shì)能。Zeta電位的大小反映了顆粒的帶電程度，其絕對(duì)值越高表明顆粒表面的雙電層越厚，顆粒間的靜電排斥力也就越大。

帶正電懸浮粒子的電勢(shì)分布

為什么Zeta電位如此重要？

Zeta電位的重要意義在于它的數(shù)值與膠態(tài)分散的穩(wěn)定性相關(guān)，是對(duì)顆粒之間相互排斥或吸附的強(qiáng)度的度量。分子或分散粒子越小，Zeta電位的絕對(duì)值（正或負(fù)）越高，體系越穩(wěn)定。當(dāng)Zeta電位（正或負(fù)）越低，膠體越傾向于凝結(jié)或凝聚，即吸引力超過(guò)了排斥力。

Zeta電位與膠體穩(wěn)定性的關(guān)系

Zeta電位的測(cè)量方法

1、流動(dòng)電位法

液體在帶電表面流動(dòng)時(shí)，由于雙電層的形成，流動(dòng)引起的電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致帶電的離子在液體中重新分布，從而在流體中形成一個(gè)電位差。流動(dòng)電位法正是通過(guò)測(cè)量這一電位差，進(jìn)而推算出樣品的Zeta電位。

流動(dòng)電位法適合測(cè)量固體表面、膜表面、造紙廠紙漿的Zeta電位。

·優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量方便快捷，可以隨時(shí)取樣并進(jìn)行測(cè)量；

·缺點(diǎn)：設(shè)備修正因子的計(jì)算依賴于多個(gè)因素，如電導(dǎo)率、流體的粘度、顆粒的幾何形狀等，測(cè)量精度低。在復(fù)雜溶液條件（如高濃度電解質(zhì)、強(qiáng)酸或強(qiáng)堿）以及納米級(jí)顆粒測(cè)量中誤差較大。

流動(dòng)電位法結(jié)構(gòu)(a)和測(cè)量池(b)示意圖

2、電聲法

電聲法是通過(guò)利用已有的聲阻抗、聲速和分散相粒度測(cè)量Zeta電位。適合用于分析高濃度膠體溶液和那些光散射性能相對(duì)較弱的溶液。

·優(yōu)點(diǎn)：可對(duì)高濃度膠體溶液及較為混濁的樣本如紙漿等進(jìn)行檢測(cè)；

·缺點(diǎn)：部分顆粒物的電位信號(hào)可能被電聲探針吸收，測(cè)量結(jié)果比真實(shí)數(shù)值偏小。待測(cè)樣品的濃度較低時(shí)，電聲法的可復(fù)現(xiàn)性表現(xiàn)一般。

 電聲法測(cè)Zeta電位的測(cè)量系統(tǒng)示意圖

3、電泳光散射法

電泳光散射法是基于多普勒效應(yīng)的原理，在外加電場(chǎng)的作用下，帶電顆粒發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，光束照射到顆粒上時(shí)會(huì)引起光的頻率或相位變化，通過(guò)測(cè)量光的頻率變化來(lái)確定顆粒的電泳速度，從而推算出Zeta電位。

電泳光散射法測(cè)量裝置示意圖

·優(yōu)點(diǎn)：可以根據(jù)散射光與參考信號(hào)之間的多普勒頻率從而推算出Zeta電位。

·缺點(diǎn)：若粒子的移動(dòng)速度較低將引發(fā)電極的極化問(wèn)題；外加電場(chǎng)強(qiáng)度較大可能會(huì)影響液體的焦耳熱、電導(dǎo)率，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4、相位分析光散射法

基于電泳原理，相位分析光散射法通過(guò)測(cè)量光的相位變化而不是頻移變化，從而減少電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)液體性質(zhì)的影響。

相位分析光散射法結(jié)構(gòu)示意圖

·優(yōu)點(diǎn)：可以在短時(shí)間內(nèi)即可探測(cè)到足夠的散射光信號(hào)相位差，其分辨率顯著高于電泳光散射法，已成為全球范圍內(nèi)主流用于測(cè)量納米微粒Zeta電位的方法。

·缺點(diǎn)：測(cè)量樣本濃度過(guò)高時(shí)，大顆粒的光信號(hào)容易阻擋小顆粒的光信號(hào)，從而導(dǎo)致遷移率測(cè)量誤差增大。

5、庫(kù)爾特法Zeta電位測(cè)量方法

也稱為電阻法、電脈沖法或電感應(yīng)技術(shù)，原理為粒子通過(guò)微流芯片時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電泳波動(dòng)信號(hào)，可分析波動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的脈沖寬度，得到有關(guān)微粒尺寸、密度以及Zeta電位的相關(guān)信息。

電流脈沖信號(hào)圖

·優(yōu)點(diǎn)：直接測(cè)量電學(xué)特性，如電阻變化和電流脈沖的實(shí)際值，提供準(zhǔn)確且可追溯的測(cè)量結(jié)果，能在不同的實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境下保持一致性；可以實(shí)現(xiàn)單顆粒的Zeta電位測(cè)量，擁有極高的分辨率和測(cè)量精度；克服光學(xué)原理中測(cè)量樣品的折射率、吸光度等限制。

·缺點(diǎn)：對(duì)待測(cè)樣品的要求很高。最大粒度不能超過(guò)芯片孔徑；電導(dǎo)率需要較高；為避免信號(hào)重疊和確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，樣品需要進(jìn)行稀釋處理。

小結(jié)

Zeta電位反映了顆粒之間相互排斥或吸附的強(qiáng)度的度量，是表征分散體系穩(wěn)定性的核心指標(biāo)。基于對(duì)Zeta電位的檢測(cè)，可有效判定、指導(dǎo)改善分散體系中納米顆粒的穩(wěn)定性，對(duì)于實(shí)際的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用具有重要的意義。

粉體圈七七