使用固體Zeta 電位測量儀測量玻璃纖維的表面電位和等電點(diǎn)

檢測樣品：玻璃纖維無紡布

檢測項(xiàng)目：Zeta電位、等電點(diǎn)

應(yīng)用領(lǐng)域：絕緣材料、增強(qiáng)復(fù)合材料、通信光纜等

 在玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、絕緣材料等核心應(yīng)用領(lǐng)域，玻璃纖維與聚合物的界面結(jié)合力直接決定產(chǎn)品性能。而這一關(guān)鍵性能的調(diào)控，離不開對玻璃纖維表面電位（Zeta電位）和等電點(diǎn)（IEP）的精準(zhǔn)掌握——表面硅羥基的解離特性、浸潤劑的吸附效率、分散體系的穩(wěn)定性，均與這兩個參數(shù)密切相關(guān)。深入了解玻璃纖維的表面性質(zhì)，對于開發(fā)表面處理工藝、優(yōu)化玻璃纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料性能至關(guān)重要。

 固體表面Zeta 電位的測量不僅能夠評估固體表面的電荷狀態(tài)和可解離官能團(tuán)，還可助力分析固體表面關(guān)于酸性或堿性的分散力。本文采用德國DataPhysics 公司生產(chǎn)的ZPA 20 固體Zeta 電位測量儀（圖1）研究玻璃纖維表面的電學(xué)性質(zhì)和官能團(tuán)。

圖1. ZPA 20 固體Zeta電位測量儀

 固體表面與水溶液接觸后大多會帶電，這是由于官能團(tuán)的解離以及溶液中離子和分子的吸附。當(dāng)溶液流經(jīng)固體表面，固體表面強(qiáng)吸附的離子和分子與周圍溶液中移動的離子之間會形成一個剪切面（圖2）。該剪切面上的電勢，即Zeta電位，是衡量固體表面電荷情況的一個非常敏感的指標(biāo)。通過與pH值或濃度相關(guān)的Zeta電位測量，可以得出有關(guān)表面功能基團(tuán)性質(zhì)和吸附過程的結(jié)論。

圖2，水溶液中固體表面的電荷形成

 德國DataPhysics公司的固體Zeta電位測量儀ZPA 20采用流動電勢（Eq.1）和流動電流（Eq.2）法。電解質(zhì)溶液雙向往復(fù)流經(jīng)固體表面（片狀，纖維等），溶液流動會剪切固體表面附近的可移動離子層，從而產(chǎn)生交變電勢和電流。由流動電勢Ustr或流動電流Istr與壓力差Δp之比，計算出Zeta電位：

在上述公式中：

η 為溶液粘度；

ε?為溶液相對介電常數(shù)；

ε?為溶液真空絕對介電常數(shù)；

κ 為溶液電導(dǎo)率；

L、H、W 為板狀樣品間流動通道的尺寸

由以上公式可知，使用流動電流法測量需要知道樣品通道的尺寸和溶液的粘度，此方法適合板狀固體樣品的測量。使用流動電勢法測量需要知道溶液的粘度和電導(dǎo)率，此方法適用于纖維、粉末和板狀樣品測量。

         1. 樣品與儀器準(zhǔn)備

       ?  儀器預(yù)處理：在ZPA20上搭配LDU 25液體自動注射單元（圖3），可實(shí)現(xiàn)溶液濃度與pH的自動調(diào)節(jié)；

圖3， LDU 25 液體自動注射單元

       ?   樣品制備：利用專用的樣品制備工具將玻璃纖維片裁剪為直徑19mm的圓片，并將其裝入樣品池，通過壓縮轉(zhuǎn)移盤輕輕固定，確保樣品堆積均勻；

       ?    電解質(zhì)溶液配置：準(zhǔn)備1mmol/L KCl溶液作為基礎(chǔ)電解質(zhì)（pH≈6），并配備0.1mol/L HCl和KOH溶液作為滴定劑，用于調(diào)節(jié)pH范圍。

       2. 測量步驟

        ?  向儀器內(nèi)注入1mmol/L KCl溶液，通過“自動排除氣泡"功能清除樣品池及流道中的氣泡，避免干擾測量結(jié)果；

       ?  利用LDU 25自動滴定功能，分別從中性到酸性、中性到堿性兩個方向調(diào)節(jié)pH，儀器自動記錄不同pH下的壓力與流動電勢數(shù)值并自動計算Zeta電位值；

圖 4 展示了玻璃纖維的 Zeta 電位隨 pH 值的變化曲線，具有典型的變化趨勢：

圖4， 玻璃纖維表面Zeta電位隨PH變化關(guān)系圖

       （1）低 pH 值時 Zeta 電位為正值，隨著 pH 值升高，Zeta 電位逐漸降低并變?yōu)樨?fù)值。這一現(xiàn)象部分源于官能團(tuán)的解離，另一部分則與水合氫離子（H3O+）和氫氧根離子（OH?）的 pH 依賴性吸附有關(guān)。

       （2） 等電點(diǎn)（即 Zeta 電位為零對應(yīng)的 pH 值）是驗(yàn)證可解離官能團(tuán)的重要參數(shù)：等電點(diǎn)低于 pH 4 且在堿性范圍出現(xiàn)平臺區(qū)，表明表面存在酸性基團(tuán)；等電點(diǎn)高于 pH 5 且在低 pH 值出現(xiàn)平臺區(qū)，是堿性基團(tuán)的特征；等電點(diǎn)在 pH 3~4 左右，則常見于中性或兩性表面。

       （3）由圖 4 可知，該玻璃纖維樣品的等電點(diǎn)為 pH 3.3，表明其表面存在酸性羥基。此外，該等電點(diǎn)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)玻璃纖維的報道值一致，證實(shí)了使用 ZPA 20 進(jìn)行 Zeta 電位測量的高可靠性。同時，在 pH 6~10 的堿性范圍內(nèi)，zeta 電位呈現(xiàn)出穩(wěn)定的平臺區(qū)。這表明，在中性至堿性 pH 范圍內(nèi)，所有羥基均全部解離，使表面帶負(fù)電荷。

另外，在固體表面 Zeta 電位測量中，固液兩相界面發(fā)生較高壓力的高速剪切運(yùn)動，樣品容易發(fā)生翹邊或涂層剝離等現(xiàn)象，相較于單方向剪切流動的測量方式，雙向往復(fù)流動測量法能輕松發(fā)現(xiàn)這些問題。如圖 5 的測量曲線可知，測量時雙向壓力振蕩所形成的正弦曲線平滑且均勻，這清晰表明樣品在整個測試過程中是穩(wěn)定的。

圖5， 振蕩壓力（藍(lán)色）與對應(yīng)的流動電勢（紅色）隨時間的變化關(guān)系

使用德國Dataphysics公司生產(chǎn)的ZPA 20 固體Zeta電位測量儀可以測量玻璃纖維（同樣適用于碳纖維、片狀固體材料等）樣品表面隨pH值變化的Zeta電位和等電點(diǎn)。該技術(shù)能夠識別玻璃纖維表面的官能團(tuán)，以及由浸潤劑或改性劑引入的官能團(tuán)，這在多個應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義，例如：纖維增強(qiáng)聚合物用玻璃纖維的表面改性、玻璃纖維與涂層間粘附性能的研究等等。