其他行業應用專題 | 基于LUMiSizer的納米二氧化硅分散體穩定性研究

本文隸屬于電池行業應用專題，全文共 3274字，閱讀大約需要 10 分鐘

摘要：納米二氧化硅（SiO?）是油墨、涂料等行業的常用多功能材料，其分散體的儲存穩定性直接關系到最終產品性能。傳統穩定性分析方法耗時久且難以實現量化評估，存在一定局限。本研究借助 LUMiSizer 全功能型穩定性分析儀，基于其空間時間解析消光圖譜（STEP）技術，系統考察了不同類型的聚陽離子對疏水型氣相二氧化硅（AEROSIL® OX 50）分散體穩定性的影響。通過該儀器可直接獲取沉降速度、積分透射率曲線等關鍵數據，進而實現分散體穩定性的定量評估與貨架期預測，同時明確了聚陽離子類型及濃度，為納米二氧化硅分散體的配方篩選及優化提供了有效的技術支撐。

關鍵詞：納米二氧化硅；穩定性分析儀；LUMiSizer ；配方篩選

納米二氧化硅憑借高比表面積、優異的分散性，在填料、加工助劑領域應用廣泛，但其分散體易因顆粒團聚失去穩定性，需通過添加聚陽離子等分散劑調控界面作用。傳統評估方法（如濁度測量、沉降瓶實驗）僅能定性觀察分層，無法快速捕捉 “絮凝 - 穩定" 轉化過程，且難以量化穩定性參數。

LUMiSizer 依托離心沉降原理加速分散體分層，通過 870nm 近紅外光實時監測樣品管全程透光率變化，結合 SEPView 軟件與斯托克斯定律直接計算沉降速度。該設備僅需數小時即可完成傳統方法需數天、數月甚至數年的測試，還能精準預測產品貨架期，有效解決傳統方法效率低下、數據模糊的核心痛點，為聚陽離子篩選及分散體穩定性評估提供全新技術方案。

• 核心設備：LUMiSizer 全功能分散體系分析儀、UP200s 超聲波處理器、高速離心機。

  
  

• LUMiSizer 測試原理：采用 STEP 技術（空間時間消光圖譜法），以 870nm 近紅外光照射樣品，通過兩千多個光信號探測單元同步記錄整個樣品管長度上的光透射率隨時間和位置的變化。配套 SEPView 軟件依據斯托克斯定律，通過分析圖譜計算顆粒沉降速度、不穩定性指數，進而量化分散體穩定性，同時可預測重力條件下的貨架期。

• 納米顆粒：親水性氣相二氧化硅 Aerosil OX 50，初始粒徑 40nm，比表面積 50m2/g，分散體固含量 10g/L。

  
  

• 聚陽離子試劑：選取 5 種聚陽離子（表 1），涵蓋高電荷（PDADMAC）、中等電荷（3 種 PVB 衍生物）、低電荷（兩性三元共聚物 TP）類型，其中 PVB 衍生物差異在于疏水側鏈，TP 含陰陽非離子單元。

表 1 聚陽離子基本特性

1. 分散體制備：將二氧化硅顆粒加入不同濃度聚陽離子溶液，4kHz超聲分散5分鐘，制備分散體樣品。

   
   

2. LUMiSizer 測試參數：離心轉速3000RPM，溫度 20℃，測試時長 3600s，數據采集間隔為10s，每個樣品重復測試至少2次；同步用傳統沉降瓶、濁度儀等方式測試分散體系。

   
   

3. ①通過積分透射率曲線批（反映分層速度，斜率越低穩定性越強）評估分散體系穩定性；

   ②預測貨架期（基于加速離心數據外推重力條件下的長期穩定性）。

圖1 未添加聚陽離子的二氧化硅分散體透射率指紋圖譜

通過圖2（a）透射率指紋圖譜可以看到，低濃度PDADMAC 聚陽離子（0.0032g/L）分散體透光率在短時間內（20 s）快速升高，表明顆粒大量絮凝、快速沉降；隨著聚陽離子濃度升高（≥0.032g/L），透光率隨時間和位置的變化趨于平緩，說明顆粒表面吸附過量聚陽離子后帶正電，因靜電排斥重新穩定，分散體不再發生快速沉降，和 “電荷反轉后再穩定" 的機理相匹配。

圖2 不同濃度PDADMAC聚陽離子（g/L）下二氧化硅分散體透射率指紋圖譜

結合圖3的積分透光率動力學曲線，斜率越大，說明透光率上升越快（顆粒沉降/聚集越劇烈），分散體越不穩定；斜率越小，分散體越穩定。當未添加聚合物或低PDADMAC 濃度（0.0032 g/L）時，曲線斜率大，對應絮凝/快速沉降，代表分散體不穩定；而高 PDADMAC 濃度（如0.32、1.6g/L）時，曲線斜率小，對應了電荷反轉后穩定分散，體現了分散體穩定性的提升。

圖3 不同濃度PDADMAC聚陽離子積分透光率動力學曲線

與此同時，通過傳統測試方法驗證，濁度（圖 4a）和上清液電荷（圖 4b）顯示，PDADMAC濃度對分散體穩定性有顯著調控作用，隨著濃度變化分散體系呈現出“絮凝 - 澄清 - 再穩定" 的過程。在 0.0032~0.0064 g/L 的相分離區間內，顆粒聚集沉降，體系濁度驟降（濁度＜200UIN）；根據圖4（b）判斷，低濃度時顆粒因負電未被中和而聚集，高濃度時因吸附過量正電聚合物而靜電排斥再穩定。

圖4 傳統方法（濁度-電荷）測試PDADMAC濃度對分散體穩定性的影響

由此可知，LUMiSizer的量化結果與傳統測試結論保持一致 —— 低濃度聚陽離子引發快速絮凝，高濃度因電荷反轉實現再穩定。同時，相較于傳統的測試方法，LUMiSizer 通過STEP技術，能將如下幾個方面做的更好：

• 效率更高：本文中傳統方法需長達20小時的靜置來觀察最終結果，而LUMiSizer 通過離心加速分層，1 小時內即可完成檢測，大幅縮短實驗周期；

• 表征更全面：傳統濁度法僅能通過濁度值間接反映樣品分散狀態，而 LUMiSizer 可借助空間 - 時間消光圖譜，全面且同步記錄樣品透光程度隨位置與時間的變化，直接獲取沉降速度、界面遷移等關鍵動態參數。

• 定量更精準：傳統測試方法法難以精準量化分散體穩定性，LUMiSizer 則可通過積分透光曲線斜率定量表征穩定性，還能關聯離心力與重力，直接預測貨架期。

• 處理更高效：傳統濁度法需單獨制備樣品，LUMiSizer 最多可同時測試 12 個樣品，便于快速對比分析不同聚合物濃度、類型對分散體系穩定性的影響。

三種 PVB 衍生物（PVB-TMAC、PVB-DMBAC、PVB-PYC）的穩定行為與 PDADMAC 相似，但存在結構特異性：

• 根據圖5和表2可知，當濃度為7.5g/L 時，PVB-TMAC 與 PVB-PYC 的界面位置在 3600s 時僅上升 5mm，斜率分別為 7.9μm/s、7.8μm/s，穩定性好；而PVB-DMBAC 因高疏水側鏈，濃度略低（5g/L），斜率 8.25μm/s，但高濃度下無穩定性衰減（與 PDADMAC 差異顯著）。

圖5 不同濃度 PVB 衍生物的分散體界面位置隨時間變化曲線

表2 不同聚陽離子類型分散體的斜率（μm/s）對比

（注：空白分散體斜率為 20.7μm/s）

低陽離子電荷的 TP 同樣能有效穩定二氧化硅分散體（圖 7）：

• TP 的相分離區間為0.02-0.06g/L，高于 PDADMAC 和 PVB 衍生物；

• 隨著 TP 濃度升高，分散體穩定性持續提升，高濃度時表現出穩定效果，無穩定性下降現象；

• 對比不同聚合物的斜率值（積分透射率隨時間的增長速率），TP 體系的斜率低（表 2），表明其穩定效果好

圖7  TP 濃度對二氧化硅分散體穩定性的影響（積分透射率曲線）

聚合物電荷密度與分散體穩定性密切相關（圖 8）：隨著聚合物電荷密度增加，分散體斜率逐漸降低，穩定性提升，表明靜電排斥是主要穩定機制。但相同電荷含量下，PVB 衍生物和 TP 的穩定效果優于 PDADMAC，說明穩定機制還包括空間位阻作用。尤其是 TP，其低電荷密度但強空間位阻效應，使其成為好的穩定劑。

圖 8 聚合物電荷對分散體穩定性的影響

基于 LUMiSizer 測試數據，可預測不同分散體的在常溫下的貨架期（圖 9）：

• 空白分散體的貨架期僅1小時；

• 5g/L PDADMAC 或 PVB 衍生物穩定的分散體，貨架期延長至約10小時；

• 5g/L TP 穩定的分散體，貨架期可達 15 小時，進一步驗證了 TP 的優異穩定性能。

圖9 不同聚合物濃度下分散體的預測貨架期

1. LUMiSizer 全功能型穩定性分析儀憑借 STEP 技術，能夠直接采集沉降速度、積分透射率曲線等核心數據，快速表征各類納米二氧化硅分散體的穩定性，精準預測產品貨架期。該設備為分散體配方的篩選與優化提供了強有力的技術支撐，相比傳統方法，檢測效率實現顯著提升。

2. 本文中，兩性三元共聚物 TP 因兼具靜電排斥和空間位阻作用，表現出好的穩定性能，其穩定的分散體貨架期最長，是納米二氧化硅分散體的理想穩定劑。

3. 所有測試聚陽離子均可通過靜電排斥作用穩定納米二氧化硅分散體，但穩定性受聚合物濃度和結構顯著影響：低濃度時易引發絮凝，中高濃度時實現穩定；PDADMAC 在高濃度下穩定性下降，而 PVB 衍生物和 TP 在高濃度下仍保持良好穩定效果。