Измерение дзета-потенциала наночастиц диоксида кремния на приборе BeNano 180 Zeta

Введение: зачем измерять дзета-потенциал диоксида кремния

Наноразмерный диоксид кремния (SiO₂) обладает значительной универсальностью. Он может использоваться как абразив при химико-механической полировке (CMP) полупроводников, а также как функциональное покрытие благодаря отличным поверхностным характеристикам. Материал широко применяется в производстве резины, пластика, стали и в солнечной энергетике, улучшая армирование, устойчивость к сдвиговым нагрузкам и тиксотропию.

В 1968 году Штёбер обнаружил, что монодисперсные наночастицы диоксида кремния можно синтезировать при комнатной температуре путём гидролиза тетраэтоксисилана (ТЭОС) в этанольном растворе с добавлением аммиака. Во многих практических приложениях наночастицы SiO₂ используются именно в диспергированном состоянии. Поэтому контроль дзета-потенциала становится критическим фактором для понимания стабильности системы, предотвращения агрегации и улучшения качества конечной продукции.

Цель работы — на примере четырёх партий водных суспензий нанодиоксида кремния показать возможности BeNano 180 Zeta для измерения дзета-потенциала как при исходной высокой концентрации, так и после разбавления.

Что такое дзета-потенциал и почему он важен

Дзета-потенциал (ζ-потенциал) — электрический потенциал на границе скольжения между заряженной частицей и жидкостью. Чем выше абсолютное значение (обычно >30 мВ), тем сильнее электростатическое отталкивание и тем устойчивее суспензия к агрегации и седиментации.

Для наночастиц диоксида кремния характерен отрицательный поверхностный заряд в водной среде (диссоциация силанольных групп Si-OH). Измерение дзета-потенциала позволяет:

• прогнозировать долгосрочную стабильность суспензий;
• оптимизировать рецептуры (pH, ионную силу);
• сравнивать разные партии сырья;
• контролировать качество продукции на всех этапах производства.

Прибор и метод измерений: BeNano 180 Zeta

Использовался анализатор размера и дзета-потенциала наночастиц BeNano 180 Zeta (Bettersize).

Принцип работы: При наложении электрического поля заряженные частицы совершают электрофорез. Лазерный луч, рассеиваясь на движущихся частицах, приобретает частотный сдвиг (Доплер), пропорциональный электрофоретической подвижности. BeNano 180 Zeta регистрирует сдвиг и пересчитывает в дзета-потенциал.

Технология PALS детектирует чрезвычайно малые частотные сдвиги — прибор чувствителен даже для образцов с низкой электрофоретической подвижностью (высокая ионная сила, слабозаряженные частицы).

Экспериментальная часть

Объекты исследования

Четыре образца водных суспензий наноразмерного диоксида кремния (производственные партии). Содержание твёрдой фазы — 10 мас.% (без разбавления).

Условия измерений

• Температура: 25°C.
• Измерения в исходной концентрации (10%) и после 30-кратного разбавления дистиллированной водой (0,33 мас.%).
• Каждый образец измерен не менее 3 раз (среднее и стандартное отклонение).
• pH суспензий: 6,5–7,5 (без коррекции).

Результаты измерений

Благодаря технологии PALS получены стабильные значения дзета-потенциала для всех четырёх образцов. На рисунках 1–4 представлены фазовые графики — наклон графика пропорционален доплеровскому сдвигу. Во всех случаях графики имеют чёткий линейный наклон и отличное отношение сигнал/шум.

Все измеренные значения дзета-потенциала отрицательны (от –38 мВ до –58 мВ), что соответствует отрицательному заряду поверхности наночастиц SiO₂ в воде.

Таблица 1. Результаты измерения дзета-потенциала образцов диоксида кремния

Обсуждение результатов

Все образцы показывают |ζ| > 30 мВ (от –38 до –57 мВ в исходном состоянии) — образование агрегатов маловероятно, суспензии обладают высокой агрегативной устойчивостью.

• Сравнение образцов: максимальную стабильность имеют 1# и 2#, следом 3#, наименьший модуль – у 4#.
• Влияние разбавления: после 30-кратного разбавления образцы 2# и 3# показали рост абсолютного значения дзета-потенциала (на –6,3 и –11,4 мВ). Это связано со снижением ионной силы и уменьшением экранирования заряда. При разбавлении стабильность может возрастать.
• Воспроизводимость: стандартные отклонения ≤2,1 мВ — отличный результат для рутинного контроля.

Заключение и практические рекомендации

1. BeNano 180 Zeta успешно измерил дзета-потенциал высококонцентрированных (10%) суспензий нанодиоксида кремния в исходном виде и после разбавления.

2. Все образцы стабильны (|ζ| > 30 мВ), но 1# и 2# — наиболее перспективны для применений, требующих максимальной устойчивости.

3. Эффект разбавления (рост стабильности у 2# и 3#) важен для технологических регламентов.

4. Ключевые преимущества BeNano 180 Zeta: высокая чувствительность (PALS), воспроизводимость (σ < 2 мВ), работа с концентрированными образцами, соответствие ISO 13099.

Рекомендуемое применение: входной контроль сырья (наночастицы SiO₂, оксиды металлов, латексы), оптимизация рецептур, контроль стабильности CMP-паст, суспензий, чернил, сравнение партий продукции.