
珠海歐美克儀器有限公司

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黃峻峰
珠海歐美克儀器有限公司售后服務經理,從事技術支持工作已經19年。具有豐富的粒度檢測及儀器管理維護的理論知識。多年來,跟眾多的粒度儀用戶深入交流學習,對儀器用戶的應用技術痛點、粒度數據分析有豐富實戰經驗。
中國納米材料發展日新月異,市場規模不斷擴大。據公開數據顯示,2022年為2031億元,2023年上漲到2270.1億元。預計2027年中國納米材料市場規模將達3380億元。工信部、國資委2023年聯合印發的《前沿材料產業化重點發展指導目錄(第一批)》列出的15種有望率先批量產業化的前沿材料中,有4種屬于納米材料。
納米材料應用領域廣泛:在電子領域它用于制造體積小性能更優的器件;在醫療領域可用于疾病診斷、藥物輸送和治療;在新能源領域,能提高電池容量及使用壽命;在環保領域,可用于污水處理、空氣凈化等。納米材料產業不僅僅是自身快速發展,還將與其他相關產業,如電子信息、生物醫藥、新能源等深度融合,形成協同發展的良好態勢,共同推動產業升級和經濟發展。
納米材料的主要生產工藝包括物理方法、化學方法和綜合方法。物理方法中最常見的兩種工藝是機械球磨法和物理氣相沉積法(PVD)。在使用機械球磨法生產亞微米、納米材料時,有一個不容忽視的重要問題---“逆研磨”。
利用球磨機中研磨介質的碰撞和摩擦,將原料粉末研磨成納米級顆粒。該方法可制備多種納米材料,能實現工業化生產。但是,顆粒超細粉碎到一定程度后,伴隨著一系列顆粒微觀上理化特性的質變,就會出現一個“粉碎?團聚”的可逆過程。其機理是在粒度逐漸細化的過程中,顆粒在范德華力、雙電層靜電作用等影響下會重新團聚。
▲ 圖1 超細納米顆粒在多種外力作用下團聚的顯微圖像(圖片來源網絡)
當這破碎團聚這正反兩個過程的速度相等時,便達到了粉碎過程中的動態平衡,則顆粒尺寸達到極限值。此時,進一步延長粉碎時間是徒勞的。因為這時的機械力已不足以解聚團聚體使顆粒進一步破碎,同時,比表面積增大和表面電荷的變化有可能造成更多小顆粒團聚體,于是,所謂的“逆研磨”、“返粗”現象就會出現。
▲ 表1 常見的粉體粒徑隨研磨時間延長出現的逆研磨現象
該如何應對這種逆研磨問題呢?除了優化研磨設備和工藝,根據物料特性選擇匹配的研磨設備合理控制研磨時間外,我們還可以從超細顆粒團聚機理上想辦法。首先要簡單介紹一下雙電層靜電力和zeta電位的概念。
雙電層靜電力
雙電層靜電力是指在膠體粒子或帶電表面與周圍反離子相互作用時,因顆粒雙電層的重疊而產生的靜電作用力。雙電層靜電力、范德華力、空間位阻等各種顆粒間的相互作用力是共同決定超細顆粒分散或團聚的主要影響因素。
直接或間接表征雙電層靜電力的方法有多種,目前最常見的是電泳法。其測量原理為:在外加電場作用下,分散介質中的帶電粒子會因電場力的驅動而發生定向移動。通過測量粒子的電泳遷移率,結合相關理論公式,可以計算出粒子的Zeta電位,進而推斷出顆粒間的雙電層靜電作用關系。
Zeta電位概念
當固體表面與液體接觸時,由于表面電荷的存在,會吸引周圍液體中的反離子,形成雙電層。在固液界面處存在一個相對固定的吸附層,當顆粒在分散體系中運動時,吸附層與分散介質之間會產生相對滑動,Zeta電位就是描述這一滑動面與本體介質之間電位差的物理量。Zeta電位是衡量顆粒分散體系穩定性的重要指標。通常情況下,Zeta電位為同種電荷且絕對值越大,顆粒間的靜電斥力越強,體系越穩定,顆粒越不容易發生團聚。
通過檢測Zeta電位,能得知顆粒表面電荷情況,當Zeta電位絕對值較低,顆粒間吸引力強,易團聚。Zeta電位受溶液pH值、離子濃度等因素影響。在研磨過程中持續檢測Zeta電位,可實時了解研磨液體系的穩定性。若Zeta電位有減小趨勢,說明研磨液趨于不穩定,可能發生團聚沉降,此時可及時調整研磨工藝參數,如改變研磨時間、速度或添加合適的分散劑等,防止逆研磨問題出現。
▲圖2 粒徑隨超聲均質時間的變化(a)
不同超聲均質時間下Zeta電位對pH值的響應(b)
▲ 圖3 不同穩定劑下粒徑、PDI和Zeta電位的表現差異
NS-90Z Plus納米粒度及電位分析儀是珠海歐美克儀器有限公司在成功引進和吸收馬爾文帕納科 (Malvern Panalytical)納米顆粒表征技術后,在上一代NS-90Z的基礎上進一步優化了光學電子測量技術和分析性能的一款新產品。NS-90Z Plus具有更優越的粒度和電位分析功能,能滿足廣大納米材料、制劑開發和生產用戶的顆粒粒度和Zeta電位的測試需求。
NS-90Z Plus采用電泳光散射技術測定顆粒Zeta電位和電位分布,同時兼有靜態光散射技術用于測定蛋白質與聚合物等的分子量。NS-90Z Plus還融合馬爾文帕納科恒流模式下的M3-PALS快慢場混合相位檢測分析技術,提升了儀器的電位分析性能,升級了兼容多種樣品池 (選配) 功能,可分析樣品濃度和粒度范圍也得到了明顯提升。
▲ 歐美克納米粒度及電位分析儀
有了準確的Zeta電位監控數據,面對逆研磨問題時就不再盲人摸象,單純靠經驗來解決問題。我們可以在科學數據的指導下,選擇合適的pH、分散劑種類和分散劑添加量去影響顆粒間的范德華力、雙電層靜電力等。通過分散劑能有效防止顆粒團聚,推遲逆研磨出現。
同時,在精準的粒度檢測數據指引下,我們還可以優化研磨設備和工藝,根據物料特性選擇匹配的研磨設備。同時控制研磨時間,避免過度研磨,依據物料性質和經驗確定最佳研磨時長。還可調整工藝參數,如球磨轉速、料球水比等,提高研磨效率,防止逆研磨。
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