分析涂料油墨中的粉體潤濕、分散性能的新技術(shù)|MagnoMeter XRS顆粒表面特性分析儀

在涂料、油墨、藥品和化妝品配方的調(diào)配中，越來越多地使用在各種載液中精心配制的納米顆粒。

顆粒分散體的制備可以分為幾個步驟，最初的步驟是將粉末分散到液體中，該液體可以是水、油或者非水溶劑，這是配制和制造中的關(guān)鍵工藝步驟。因此選擇合適的溶劑（或溶劑混合物）潤濕和分散粉末的預(yù)測方法具有實際和經(jīng)濟效益。

大約40年前，Charles Hansen提出了漢森溶解度參數(shù)（HSP），用來選擇最合適的溶劑潤濕和分散納米顆粒粉末材料，這是一種有效預(yù)測潤濕粉末的溶劑質(zhì)量的方法。

顆粒分散方法

HSP漢森溶劑度參數(shù)

HSP這種方法，采用了沉降時間的視覺觀察作為合適的度量標準，在良好的溶劑中，觀察到的沉降最慢。

漢森提出，溶劑混合物---甚至是個別不良溶劑的混合物具有與材料顆粒表面相似的HSP值，將最有效地潤濕材料并產(chǎn)生高質(zhì)量的分散體。

HSP這種方法，類似于使用親水親油平衡（HLB）方法來選擇油乳化中最合適的表面活性劑混合物。

然而，HSP方法具有一定的局限性：

●傳統(tǒng)上只能用肉眼觀察，非常主觀

●對納米顆粒來說，非常耗時

●沒有標準化

分析離心法AC

分析離心法（AC）為溶劑選擇提供了一種溶劑顆粒聚集等級順序的定量方法，是一種旨在定量測定固體材料HSP值的標準操作程序，使用該方法，相對沉降時間（RST）的測量明顯更快且不易出錯。

然而，分析離心法（AC）具有一定的局限性：

●球形粒子表現(xiàn)較好，AC在層流條件下對球形粒子表現(xiàn)較好，但并不總是可以實現(xiàn)

●需要具有合理窄粒度分布的球形顆粒的稀釋分散體，然而，很多的工業(yè)材料具有非球形顆粒的寬粒度分布，大顆粒在經(jīng)過小顆粒時會產(chǎn)生湍流。

●要求低濃度，固體濃度高于1.5% v/v會導致沉降受阻，導致測量不準確

●耗時：對于非常小的納米顆粒（<30納米），即使在高速離心下，沉降時間也可能非常長

●需要更正

Mageleka公司研發(fā)的MagnoMeter XRS顆粒表面特性分析儀

核磁共振溶劑弛豫測量方法是對溶劑和與HSP有關(guān)的表面之間的相同分子間力敏感（以及動力學），但不受AC分析離心法的限制。

使用顆粒分析儀MagnoMeter XRS優(yōu)勢

●快速（2分鐘）、直接和靜態(tài)測量

●與材料的大小和形狀不相關(guān)

●支持使用任何行業(yè)相關(guān)的固體濃度

●不需要修正

使用顆粒表面特性分析儀MagnoMeter XRS應(yīng)用實例

如下表，使用顆粒表面特性分析儀MagnoMeter XRS分析兩種不同材料的特性，表1中，有三種不同的超細氧化鋅粉末，這三種材料通常用于防曬霜配方中，一種是基礎(chǔ)（無涂覆層）材料，另外兩種是相同的有涂覆層的氧化鋅，其中一種是涂覆二氧化硅以改變表面化學物質(zhì)，但仍具有親水性，另外一種是涂覆硅烷(特別是三丙基硅烷）以使表面疏水，這樣更容易分散在非水流體中，如防曬乳液的油液中。

表1：Zinc Oxide, ZnO氧化鋅

表2中，有兩種不同的氧化鋁，一種是基礎(chǔ)（無涂覆層）材料，一種是涂覆三丙基硅烷。

表2：Alumina, Al2O3氧化鋁

其中：* 在水中; **10mM氯化鉀(aq)中

實驗結(jié)果

（1）氧化鋅測試結(jié)果

如圖展示的是涂覆二氧化硅的氧化鋅（親水性）和涂覆硅烷的氧化鋅（疏水性）的相對弛豫速率之間的比較：

其中，相關(guān)關(guān)系速度Rsp是懸浮液的速率除以溶劑本身的速率減去1，Rsp值越大，潤濕越有效，即Rsp=[Rsusp/Rsolv]-1

可以看出，弛豫速率在溶劑的選擇范圍內(nèi)具有顯著的動態(tài)范圍，并且與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顯更高（約為8倍）。這些核磁共振數(shù)據(jù)證明了以下2點：

1.溶劑分離和分散顆粒的能力明顯不同

2.溶劑-表面相互作用是分散性的重要決定因素

同時，硅烷涂層使得氧化鋅粉末的表面非常疏水，即使使用了非極性溶劑也很難潤濕，因此除非使用潤濕劑，否則不可能使用測試的非極性溶劑制備分散良好的穩(wěn)定懸浮液。

（2）測試圖：親水性氧化鋅和氧化鋁與其疏水衍生物對比

下圖對比了同一顆粒的親水性和疏水性，并提供了有關(guān)表面化學物質(zhì)的有用信息。

兩種親水性氧化鋅——裸氧化鋅（未涂覆）和二氧化硅涂層氧化鋅，具有相同的HSP值。因此，潤濕性和分散性是相似的，疏水性的硅烷涂層氧化鋅明顯不同。然而親水性二氧化硅涂層氧化鋁和疏水性硅烷涂層氧化鋁之間的差異更大。

（3）測試圖：比較氧化鋅和氧化鋁及其疏水衍生物

如下圖所示，兩種未涂覆的氧化物具有相似的HSP。雖然氧化鋅和氧化鋁是明顯不同的化學材料，但HSP數(shù)據(jù)表面，與這些材料表面具有強親和力的溶劑的相互作用是可比的，這可以通過這兩種材料都是親水性的，在水中都是陽離子，并且具有相似的電位來理解。

相反，氧化物的硅烷涂層的類型必須在化學性質(zhì)或涂層密度上明顯不同。這種顯著的差異不僅會影響所用溶劑的選擇，還會影響后期用于配制懸浮液的其他組成，如表面活性劑、分散劑或穩(wěn)定劑，因為，它會影響與物體表面的相互作用（如吸附）。

因此HSP可以用于探測和鑒別材料的表面化學特性，通過HSP，配方師可以更有效，更好地優(yōu)化懸浮液的制備。

（4）核磁共振檢測結(jié)果：潤濕性和分散性

核磁共振弛豫速率NMR也可以用來進行選擇溶劑的快速篩選實驗，使用高弛豫速率來識別好的溶劑，使用低弛豫速率來識別差的溶劑，無需完成整個HSP過程。

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鋅中的實驗中，用MagnoMeter XRS顆粒表面特性分析儀測出弛豫速率分別為0.12，2.89，7.10，因此通過長期穩(wěn)定性實驗可以得出，NMP分散體最穩(wěn)定，甲苯分散體最不穩(wěn)定。

如圖是分散在這些溶劑中的涂覆二氧化硅的氧化鋅樣品的照片，這是簡單穩(wěn)定性測試的一部分，制備后立即對分散體進行肉眼觀察，可以看到，在初始超聲處理后，甲苯懸浮液對玻璃瓶的潤濕性很差，但甲醇和NMP懸浮液看起來潤濕性還不錯。

在室溫下放置4小時后，甲苯懸浮液已經(jīng)完全分離，并且已經(jīng)絮凝。甲醇懸浮液中也有明顯沉淀物，NMP懸浮液中幾乎沒有沉淀物，分散性好。

因此，初始弛豫速率是懸浮液沉降傾向的良好指標，因此可以為配方師提供有用的信息，因為弛豫時間的測量只需要幾分鐘，所以可以在濃縮懸浮液中出現(xiàn)任何可見的變化跡象之前很好地為配方師提供分散性的測量。

結(jié)論

顆粒表面特性分析儀MagnoMeter XRS提供了一種快速篩選適合潤濕和分散粉末顆粒的溶劑的方法，此外，它還可以用于定量測量顆粒材料的HSP值。顆粒分析儀MagnoMeter XRS可以幫助選擇最合適的溶劑來初始潤濕和分散粉末，可以區(qū)分表面化學涂層，快速區(qū)分最初看起來相似的懸浮液，因此可以為配方師提供有用的信息，節(jié)省配方師的時間。

翁開爾是美國Mageleka公司的中國代理，負責MagnoMeter XRS顆粒表面特性分析儀在中國的技術(shù)支持和銷售，歡迎致電【13202947058】咨詢更多關(guān)于顆粒表面特性分析儀MagnoMeter產(chǎn)品信息。