ζ势是悬浮粒子所表现出的一种物理性质。它可以使用电泳迁移率(电泳)测量量化和调整以优化涂层配方。研究zeta电位的结果可以建立配方涂料的化学成分和所需的最终物理性能和颜色之间的关系。今天，zeta电位很容易测量，并有助于预测长期稳定性和优化产品性能。
电泳
当电场穿过电解液时，悬浮的带电粒子被吸引到带相反电荷的电极上。作用在粒子上的粘性力倾向于反对这种运动。当两种相反的力达到平衡时，粒子以恒定的速度运动。这个速度取决于电场或电压梯度强度、介质的介电常数、介质的粘度和ζ电位。
粒子在单位电场中的速度称为其电泳迁移率。通过Henry方程将Zeta电位与电泳迁移率联系起来，该方程将Zeta电位与基于介质介电常数、粘度和离子强度等物理常数的Zeta电位联系起来。电流测量仪器使zeta电势测量简单、自动化。
电泳淌度测量
经典的微电泳系统的本质是两端都有电极的毛细管细胞，并对其施加电位。粒子向电极移动，它们的速度被测量，并以单位场强表示为它们的迁移率。
早期的方法包括使用超显微镜技术直接观察单个粒子。这种方法有许多缺点，包括需要花费大量的精力进行测量，特别是对微小或散射差的粒子。然而，现代方法是完全自动化的。Zetasizer Nano (Malvern Instruments)是应用最广泛的系统之一，它将激光多普勒电泳与相分析光散射(PALS)结合在专利的v3 -PALS技术中。这使得即使在低迁移率样品和高导电性样品中也可以测量粒子的电泳迁移率。此外，所涉及的低电压避免了由于加热而产生的任何样品效应的风险。
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光学配置
zeta电位测量系统由六个主要部分组成(图1)。首先，使用激光[1]作为光源照射样品内的粒子。对于zeta电位测量，它被分割以提供入射和参考波束。入射光束通过样品单元[2]的中心，以正向角度散射的光[3]被检测到。当电场在电池上施加时，任何穿过测量体积的粒子都将导致检测到的光强度以与粒子速度成正比的频率波动，该信息被传递到数字信号处理器[4]和计算机[5]。例如，Zetasizer Nano软件可以产生一个频谱，从中计算出电泳迁移率和zeta电位信息。被检测到的散射光的强度必须在探测器成功测量的特定范围内。这是通过衰减器[6]实现的，它降低了激光的强度，从而降低了散射的强度。为了校正细胞壁厚度和分散剂折射的任何差异，安装了补偿光学[7]以保持最佳对准。
稳定性和界面表面效应
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两个基本机制影响色散稳定性(图2)。
- 空间排斥-聚合物添加到系统吸附到粒子表面，防止粒子表面进入密切接触。当有足够多的聚合物吸附时，涂层的厚度足以通过聚合物层之间的空间排斥力保持粒子分离。在这样的分离中，范德华力太弱，不能使粒子结合。
- 静电或电荷稳定是由于系统中带电粒子的分布对粒子相互作用的影响。
每种机制对特定的系统都有好处。空间稳定很简单，只需要合适的聚合物。然而，如果这是需要的，它可能很难随后絮凝系统。费用可能是一个缺点，有时不希望有聚合物存在。
静电或电荷稳定是通过简单地改变系统中离子的浓度来实现的——这是一个可逆且可能成本低廉的过程。
Zeta势长期以来被认为是胶体粒子间相互作用大小的一个很好的指标。Zeta电位测量通常用于评估胶体体系的稳定性。
表面电荷的起源
水溶液介质中的大多数胶体分散体都带电荷。这可以通过许多方式产生，这取决于粒子及其周围介质的性质。更重要的机制是这里所考虑的。
表面基团的电离
粒子表面酸性基团的解离会产生带负电荷的表面。相反，基本表面会带正电荷。在这两种情况下，表面电荷的大小取决于表面基团的酸性或碱性强度以及溶液的pH值。通过抑制表面电离——降低带负电荷粒子的pH值或提高带正电荷粒子的pH值——表面电荷可以降为零。
离子从晶格的差损
举个例子，把碘化银晶体放在水中。如果等量的Ag+和I-离子从表面溶解，表面将不带电荷。事实上，银离子会优先溶解，留下带负电的表面。如果现在加入Ag+离子，电荷降为零。进一步的加成会形成一个带正电的表面。
带电物质(离子和离子表面活性剂)的吸附
表面活性剂离子可以吸附在粒子表面上，在阳离子表面活性剂的情况下，导致到带正电的表面，在阴离子表面活性剂的情况下，导致到带负电的表面。
双层电
基于上述机理，乳液、颜料以及实际上大多数悬浮在水介质中的材料都带有表面电荷。粒子表面净电荷的形成影响周围界面区域离子的分布，导致靠近表面的反离子(与粒子电荷相反的离子)浓度增加。因此，每个粒子的周围都存在一个双层电层。
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电动电势
粒子周围的液体层分为两部分;一个内部区域(斯特恩层)，离子被强烈结合，一个外部(扩散)区域，它们不那么紧密相连。在扩散层内有一个概念边界，在这个边界内离子和粒子形成一个稳定的实体。当粒子移动时(例如，由于重力)，边界内的离子也会随之移动。那些超出边界的离子会和散体分散剂留在一起。在这个边界(水动力剪切面)处的势是ζ势(图3)。
zeta电位的大小是胶体系统潜在稳定性的一个指标。如果悬浮液中所有的粒子都有很大的负或正的zeta势，那么它们就会互相排斥，粒子就没有聚到一起的倾向。然而，如果粒子有低的zeta电位值，那么就没有力来阻止粒子聚集在一起，因此它们将絮凝或凝结。
这对涂料意味着什么
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历史上，涂料被配制为溶剂型涂料(油基涂料)或水性涂料(乳胶漆、水性涂料)。限制VOCs的环境要求要求降低涂料产品中的溶剂浓度。其他因素，如易于使用，有助于减少消费者使用油基涂料。因此，乳胶、水性涂料的市场份额越来越大。研究这些涂料中的zeta电位很容易，而且由于添加剂和产品的配方性质，操纵zeta电位作为优化工具是非常相关的。
具体来说，因为水有很高的表面张力，水性涂料呈现独特的配方挑战。较难润湿配方中的非极性成分，如颜料等。此外，由于在这些水性分散剂中使用的油和聚合物的物理性质，乳胶漆本身的成膜特性往往受到限制。因此，包括表面活性剂(润湿剂)、加工助剂和聚电解质在内的各种添加剂在乳胶漆(水性)产品中发挥着重要作用。
随着涂层润湿、扩散和聚合过程中颗粒浓度的增加，粘度也随之增加。基于这种情况，有一个相位反转点，在那里乳胶颗粒接触和变形成为什么将成为连续相-膜/涂层。成膜的过程要经过四个步骤:(1)离散的乳状颗粒;(2)颗粒的浓度或水相的蒸发;(3)粒子变形时的聚结;(4)链的成熟或扩散。
水性涂料需要添加剂来建立界面特性，以实现最终产品所需的存储和成膜特性的预期稳定性。在其他性能中，包括良好的润湿性，均匀的成膜，零缺陷，特定颜色，亮度，长期附着力和强度。
Zeta电位提供了一种测量技术，可以研究乳胶和颜料成分，也可以研究添加剂及其可能的组合。这些数据提供了对粒子界面结构的洞察，并允许优化配方中的每个成分，以提供所需的最终产品性能。
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图4显示了作为表面活性加工辅助剂的乳胶或薄膜前研究。这些数据代表了了解在涂料配方中各种添加剂如何与成膜剂表面相互作用的初步步骤。结果表明，在不添加任何添加剂的情况下，这种特殊的加工助剂确实吸附在乳液的表面，最初具有-20 mV zeta电位。随着阳离子处理助剂的增加，它会逆转电荷并变成阳离子。这类数据不仅显示了表面活性，而且还表明了处理助剂有效所需的最佳浓度。
图5显示了一系列涂料配方的研究，使用相同的乳胶漆和颜料成分，但有不同的添加剂。将这些配方按最高负zeta电位到最高正zeta电位的顺序标记为涂料1到4，并将zeta电位与最终产品的涂层缺陷联系起来，一个清晰的趋势出现了。在这种情况下，它表明阳离子配方导致每10万个零件的缺陷更少。
结论
总而言之，涂料是多组分体系，以产生特定的产品性能。这些涂料湿化和结合成一层膜的速率和均匀性可以由配方中使用的化学成分控制。根据最终用途的不同，涂料是由至少四种成分加入到分散混合物中的复杂配方。
Zeta电位测量提供洞察乳胶和颜料在分散中的稳定性。Zeta电位还有助于阐明分散微粒的界面特性，并可与所需的最终产品性能有关。
欲了解更多信息，请访问www.malvern.com或者叫508/768.6400。
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