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

檢測樣品：玻璃纖維無紡布

檢測項目：Zeta電位、等電點

應用領域：絕緣材料、增強復合材料、通信光纜等

 在玻璃纖維增強復合材料、絕緣材料等核心應用領域，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（IEP）的精準掌握——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。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)化玻璃纖維增強聚合物復合材料性能至關重要。

 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，還可助力分析固體表面關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性質(zhì)和官能團。

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，這是由于官能團的解離以及溶液中離子和分子的吸附。當溶液流經(jīng)固體表面，固體表面強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。通過與pH值或濃度相關的Zeta電位測量，可以得出有關表面功能基團性質(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. 樣品與儀器準備

       ?  儀器預處理：在ZPA20上搭配LDU 25液體自動注射單元（圖3），可實現(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：準備1mmol/L KCl溶液作為基礎電解質(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)樨撝?。這一現(xiàn)象部分源于官能團的解離，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。

       （2） 等電點（即 Zeta 電位為零對應的 pH 值）是驗證可解離官能團的重要參數(shù)：等電點低于 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；等電點高于 pH 5 且在低 pH 值出現(xiàn)平臺區(qū)，是堿性基團的特征；等電點在 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為 pH 3.3，表明其表面存在酸性羥基。此外，該等電點數(shù)值與標準玻璃纖維的報道值一致，證實了使用 ZPA 20 進行 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（藍色）與對應的流動電勢（紅色）隨時間的變化關系

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。該技術能夠識別玻璃纖維表面的官能團，以及由浸潤劑或改性劑引入的官能團，這在多個應用領域具有重要意義，例如：纖維增強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。