Измерение дзета-потенциала Al2O3 при различных значениях pH с использованием автотитратора BAT-1

Го Чжибинь, Хуэй Нинг
Лаборатория прикладных исследований, Bettersize.

Оксид алюминия (Al₂O₃) широко используется в качестве износостойкого, огнеупорного, полирующего, термопроводящего материала благодаря своей превосходной механической прочности, твердости, теплопроводности, высокому удельному сопротивлению и высокой температуре плавления.

Оксид алюминия является полярным соединением, поэтому его частицы склонны к образованию агрегатов, что обусловлено взаимодействием сил Ван-дер-Ваальса, электростатических сил и т.д. Поэтому исследование стабильности системы частиц оксида алюминия с различными модификациями поверхности представляет значительный интерес.

Дзета-потенциал зависит от химического состава поверхности частиц и окружающей среды. Таким образом, система частиц может демонстрировать различные значения дзета-потенциала при разных уровнях pH. В данной работе мы использовали автотитратор BAT-1 и анализатор BeNano для измерения дзета-потенциала частиц оксида алюминия при различных значениях pH.

Принцип метода измерения дзета-потенциала

Технология, используемая для измерения дзета-потенциала, называется электрофоретическим светорассеянием (ELS). В эксперименте ELS луч лазера направляется на образец, при этом рассеянный свет регистрируется под углом 12°.

Раствор или суспензия образца подвергаются воздействию электрического поля, приложенного к обоим концам измерительной кюветы, что приводит к электрофоретическому движению заряженных частиц. В результате частота рассеянного света смещается относительно частоты падающего света из-за эффекта Доплера. Фазовый сдвиг сигналов рассеянного света вычисляется с помощью анализа PALS. По фазовой диаграмме определяется скорость электрофоретического движения на единицу напряженности электрического поля — электрофоретическая подвижность µ. С помощью уравнения Генри можно рассчитать дзета-потенциал ζ по электрофоретической подвижности µ (формула 1):

где ε₀ — диэлектрическая постоянная вакуума, εᵣ — относительная диэлектрическая проницаемость среды, η — вязкость среды, f(Κα) — функция Генри, Κ — обратная дебаевская длина (параметр Дебая), α — радиус частицы, а Κα — отношение толщины двойного электрического слоя к радиусу частицы.

Для измерения дзета-потенциала, описанного в данной статье, использовался анализатор BeNano 90 Zeta.

Эксперимент

Порошок Al₂O₃ диспергировали в чистой воде и перемешивали в течение 15 минут с помощью магнитной мешалки. Начиная с исходного значения pH 6,4, при котором наблюдался положительный дзета-потенциал, титрование проводилось автоматически с использованием титранта NaOH с помощью автотитратора BAT-1 и анализатора BeNano. Интервал изменения pH и допустимое отклонение были установлены на 1 и 0,2 соответственно, температура измерения поддерживалась на уровне 25°C ± 0,1°C. Одно измерение дзета-потенциала выполнялось при каждом целевом значении pH.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1. Кривая зависимости дзета-потенциала (вверху) и электропроводности (внизу) от pH

Рисунок 1 показывает, что при исходном значении pH дзета-потенциал образца положителен, что указывает на положительный заряд частиц. С увеличением pH заряд частиц постепенно становится отрицательным из-за добавления титранта NaOH. Дисперсия достигает изоэлектрической точки при pH 6,8.

Al₂O₃ является амфотерным оксидом. При диспергировании в чистой воде исходное значение pH является почти нейтральным, но титрование основанием изменяет pH, нейтрализует положительные заряды на поверхности частиц и превращает их в отрицательные. В области высоких значений pH (где на поверхности частиц больше отрицательных зарядов) абсолютная величина дзета-потенциала суспензии выше, что указывает на большую стабильность системы и меньшую склонность к агломерации. Вблизи изоэлектрической точки величина дзета-потенциала минимальна, что приводит к низкой стабильности системы.

Когда pH превышает 10, поверхность частиц почти полностью насыщается отрицательными зарядами. Дальнейшее повышение pH не может увеличить их концентрацию на поверхности, однако добавление NaOH повышает ионную силу раствора. В результате доминирующим становится эффект экранирования, и абсолютная величина дзета-потенциала уменьшается.

Заключение

Дзета-потенциалы Al₂O₃ при различных значениях pH были измерены с помощью автотитратора BAT-1 и анализатора BeNano. Результаты показывают, что изоэлектрическая точка исследуемой системы составляет 6,8. Величина дзета-потенциала вблизи изоэлектрической точки минимальна, что указывает на нестабильность системы. При более высоких значениях pH (10–12) абсолютная величина дзета-потенциала максимальна, и система является более стабильной благодаря более сильному электростатическому отталкиванию частиц.