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分析涂料油墨中的粉体润湿、分散性能的新技术|MagnoMeter XRS颗粒表面特性分析仪

2021-12-1T8:54:57 阅读量:1702

在涂料、油墨、药品和化妆品配方的调配中,越来越多地使用在各种载液中精心配制的纳米颗粒。

颗粒分散体的制备可以分为几个步骤,最初的步骤是将粉末分散到液体中,该液体可以是水、油或者非水溶剂,这是配制和制造中的关键工艺步骤。因此选择合适的溶剂(或溶剂混合物)润湿和分散粉末的预测方法具有实际和经济效益。

大约40年前,Charles Hansen提出了汉森溶解度参数(HSP),用来选择最合适的溶剂润湿和分散纳米颗粒粉末材料,这是一种有效预测润湿粉末的溶剂质量的方法。

颗粒分散方法

HSP汉森溶剂度参数

HSP这种方法,采用了沉降时间的视觉观察作为合适的度量标准,在良好的溶剂中,观察到的沉降最慢。

汉森提出,溶剂混合物---甚至是个别不良溶剂的混合物具有与材料颗粒表面相似的HSP值,将最有效地润湿材料并产生高质量的分散体。

HSP这种方法,类似于使用亲水亲油平衡(HLB)方法来选择油乳化中最合适的表面活性剂混合物。

然而,HSP方法具有一定的局限性:

●传统上只能用肉眼观察,非常主观

●对纳米颗粒来说,非常耗时

●没有标准化

分析离心法AC

分析离心法(AC)为溶剂选择提供了一种溶剂颗粒聚集等级顺序的定量方法,是一种旨在定量测定固体材料HSP值的标准操作程序,使用该方法,相对沉降时间(RST)的测量明显更快且不易出错。

然而,分析离心法(AC)具有一定的局限性:

●球形粒子表现最好,AC在层流条件下对球形粒子表现最好,但并不总是可以实现

●需要具有合理窄粒度分布的球形颗粒的稀释分散体,然而,很多的工业材料具有非球形颗粒的宽粒度分布,大颗粒在经过小颗粒时会产生湍流。

●要求低浓度,固体浓度高于1.5% v/v会导致沉降受阻,导致测量不准确

●耗时:对于非常小的纳米颗粒(<30纳米),即使在高速离心下,沉降时间也可能非常长

●需要更正

Mageleka公司研发的MagnoMeter XRS颗粒表面特性分析仪

核磁共振溶剂弛豫测量方法是对溶剂和与HSP有关的表面之间的相同分子间力敏感(以及动力学),但不受AC分析离心法的限制。

使用颗粒分析仪MagnoMeter XRS优势

●快速(2分钟)、直接和静态测量

●与材料的大小和形状不相关

●支持使用任何行业相关的固体浓度

●不需要修正

使用颗粒表面特性分析仪MagnoMeter XRS应用实例

如下表,使用颗粒表面特性分析仪MagnoMeter XRS分析两种不同材料的特性,表1中,有三种不同的超细氧化锌粉末,这三种材料通常用于防晒霜配方中,一种是基础(无涂覆层)材料,另外两种是相同的有涂覆层的氧化锌,其中一种是涂覆二氧化硅以改变表面化学物质,但仍具有亲水性,另外一种是涂覆硅烷(特别是三丙基硅烷)以使表面疏水,这样更容易分散在非水流体中,如防晒乳液的油液中。

Property
特性

Coating
涂覆
Nature *
实质
Zeta potential**
电位(mV)
Mean Particle Size
平均粒径(nm)
Hydrophilic
亲水性
None
Cationic
阳离子
+39ca 120
Hydrophilic
亲水性
SiO2
二氧化硅
Anionic
阴离子
-55ca 160
Hydrophobic
疏水性
Silane
硅烷
Non-wetting
不润湿
N/Aca 140

表1:Zinc Oxide, ZnO氧化锌

表2中,有两种不同的氧化铝,一种是基础(无涂覆层)材料,一种是涂覆三丙基硅烷。

Property
特性
Coating
涂覆
Nature*
实质
Zeta Potential**
电位(mV)
Mean Particle Size
平均粒径(nm)
Hydrophilic
亲水性
None
Cationic
阳离子
+45ca 300
Hydrophobic
疏水性
Silane
硅烷
Non-wetting
不润湿
N/Aca 300

表2:Alumina, Al2O3氧化铝

其中:* 在水中; **10mM氯化钾(aq)中

实验结果

(1)氧化锌测试结果

如图展示的是涂覆二氧化硅的氧化锌(亲水性)和涂覆硅烷的氧化锌(疏水性)的相对弛豫速率之间的比较:

其中,相关关系速度Rsp是悬浮液的速率除以溶剂本身的速率减去1,Rsp值越大,润湿越有效,即Rsp=[Rsusp/Rsolv]-1

可以看出,弛豫速率在溶剂的选择范围内具有显著的动态范围,并且与硅烷涂覆的材料相比,二氧化硅涂覆的材料的弛豫速率本身的幅度明显更高(约为8倍)。这些核磁共振数据证明了以下2点:

1.溶剂分离和分散颗粒的能力明显不同

2.溶剂-表面相互作用是分散性的重要决定因素

同时,硅烷涂层使得氧化锌粉末的表面非常疏水,即使使用了非极性溶剂也很难润湿,因此除非使用润湿剂,否则不可能使用测试的非极性溶剂制备分散良好的稳定悬浮液。

(2)测试图:亲水性氧化锌和氧化铝与其疏水衍生物对比

下图对比了同一颗粒的亲水性和疏水性,并提供了有关表面化学物质的有用信息。

两种亲水性氧化锌——裸氧化锌(未涂覆)和二氧化硅涂层氧化锌,具有相同的HSP值。因此,润湿性和分散性是相似的,疏水性的硅烷涂层氧化锌明显不同。然而亲水性二氧化硅涂层氧化铝和疏水性硅烷涂层氧化铝之间的差异更大。

(3)测试图:比较氧化锌和氧化铝及其疏水衍生物

如下图所示,两种未涂覆的氧化物具有相似的HSP。虽然氧化锌和氧化铝是明显不同的化学材料,但HSP数据表面,与这些材料表面具有强亲和力的溶剂的相互作用是可比的,这可以通过这两种材料都是亲水性的,在水中都是阳离子,并且具有相似的电位来理解。

相反,氧化物的硅烷涂层的类型必须在化学性质或涂层密度上明显不同。这种显著的差异不仅会影响所用溶剂的选择,还会影响后期用于配制悬浮液的其他组成,如表面活性剂、分散剂或稳定剂,因为,它会影响与物体表面的相互作用(如吸附)。

因此HSP可以用于探测和鉴别材料的表面化学特性,通过HSP,配方师可以更有效,更好地优化悬浮液的制备。

(4)核磁共振检测结果:润湿性和分散性

核磁共振弛豫速率NMR也可以用来进行选择溶剂的快速筛选实验,使用高弛豫速率来识别好的溶剂,使用低弛豫速率来识别差的溶剂,无需完成整个HSP过程。

在用分散在甲苯、甲醇或N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的涂覆二氧化硅的氧化锌中的实验中,用MagnoMeter XRS颗粒表面特性分析仪测出弛豫速率分别为0.12,2.89,7.10,因此通过长期稳定性实验可以得出,NMP分散体最稳定,甲苯分散体最不稳定。

如图是分散在这些溶剂中的涂覆二氧化硅的氧化锌样品的照片,这是简单稳定性测试的一部分,制备后立即对分散体进行肉眼观察,可以看到,在初始超声处理后,甲苯悬浮液对玻璃瓶的润湿性很差,但甲醇和NMP悬浮液看起来润湿性还不错。

在室温下放置4小时后,甲苯悬浮液已经完全分离,并且已经絮凝。甲醇悬浮液中也有明显沉淀物,NMP悬浮液中几乎没有沉淀物,分散性好。

因此,初始弛豫速率是悬浮液沉降倾向的良好指标,因此可以为配方师提供有用的信息,因为弛豫时间的测量只需要几分钟,所以可以在浓缩悬浮液中出现任何可见的变化迹象之前很好地为配方师提供分散性的测量。

结论

颗粒表面特性分析仪MagnoMeter XRS提供了一种快速筛选适合润湿和分散粉末颗粒的溶剂的方法,此外,它还可以用于定量测量颗粒材料的HSP值。颗粒分析仪MagnoMeter XRS可以帮助选择最合适的溶剂来初始润湿和分散粉末,可以区分表面化学涂层,快速区分最初看起来相似的悬浮液,因此可以为配方师提供有用的信息,节省配方师的时间。

翁开尔是美国Mageleka公司的中国代理,负责MagnoMeter XRS颗粒表面特性分析仪在中国的技术支持和销售,欢迎致电【400-6808-138】咨询更多关于颗粒表面特性分析仪MagnoMeter产品信息。

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