其他行业应用专题 | 基于LUMiSizer的纳米二氧化硅分散体稳定性研究

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摘要：纳米二氧化硅（SiO₂）是油墨、涂料等行业的常用多功能材料，其分散体的储存稳定性直接关系到最终产品性能。传统稳定性分析方法耗时久且难以实现量化评估，存在一定局限。本研究借助 LUMiSizer 全功能型稳定性分析仪，基于其空间时间解析消光图谱（STEP）技术，系统考察了不同类型的聚阳离子对疏水型气相二氧化硅（AEROSIL® OX 50）分散体稳定性的影响。通过该仪器可直接获取沉降速度、积分透射率曲线等关键数据，进而实现分散体稳定性的定量评估与货架期预测，同时明确了聚阳离子类型及浓度，为纳米二氧化硅分散体的配方筛选及优化提供了有效的技术支撑。

关键词：纳米二氧化硅；稳定性分析仪；LUMiSizer ；配方筛选

纳米二氧化硅凭借高比表面积、优异的分散性，在填料、加工助剂领域应用广泛，但其分散体易因颗粒团聚失去稳定性，需通过添加聚阳离子等分散剂调控界面作用。传统评估方法（如浊度测量、沉降瓶实验）仅能定性观察分层，无法快速捕捉 “絮凝 - 稳定" 转化过程，且难以量化稳定性参数。

LUMiSizer 依托离心沉降原理加速分散体分层，通过 870nm 近红外光实时监测样品管全程透光率变化，结合 SEPView 软件与斯托克斯定律直接计算沉降速度。该设备仅需数小时即可完成传统方法需数天、数月甚至数年的测试，还能精准预测产品货架期，有效解决传统方法效率低下、数据模糊的核心痛点，为聚阳离子筛选及分散体稳定性评估提供全新技术方案。

• 核心设备：LUMiSizer 全功能分散体系分析仪、UP200s 超声波处理器、高速离心机。

  
  

• LUMiSizer 测试原理：采用 STEP 技术（空间时间消光图谱法），以 870nm 近红外光照射样品，通过两千多个光信号探测单元同步记录整个样品管长度上的光透射率随时间和位置的变化。配套 SEPView 软件依据斯托克斯定律，通过分析图谱计算颗粒沉降速度、不稳定性指数，进而量化分散体稳定性，同时可预测重力条件下的货架期。

• 纳米颗粒：亲水性气相二氧化硅 Aerosil OX 50，初始粒径 40nm，比表面积 50m²/g，分散体固含量 10g/L。

  
  

• 聚阳离子试剂：选取 5 种聚阳离子（表 1），涵盖高电荷（PDADMAC）、中等电荷（3 种 PVB 衍生物）、低电荷（两性三元共聚物 TP）类型，其中 PVB 衍生物差异在于疏水侧链，TP 含阴阳非离子单元。

表 1 聚阳离子基本特性

1. 分散体制备：将二氧化硅颗粒加入不同浓度聚阳离子溶液，4kHz超声分散5分钟，制备分散体样品。

   
   

2. LUMiSizer 测试参数：离心转速3000RPM，温度 20℃，测试时长 3600s，数据采集间隔为10s，每个样品重复测试至少2次；同步用传统沉降瓶、浊度仪等方式测试分散体系。

   
   

3. ①通过积分透射率曲线批（反映分层速度，斜率越低稳定性越强）评估分散体系稳定性；

   ②预测货架期（基于加速离心数据外推重力条件下的长期稳定性）。

图1 未添加聚阳离子的二氧化硅分散体透射率指纹图谱

通过图2（a）透射率指纹图谱可以看到，低浓度PDADMAC 聚阳离子（0.0032g/L）分散体透光率在短时间内（20 s）快速升高，表明颗粒大量絮凝、快速沉降；随着聚阳离子浓度升高（≥0.032g/L），透光率随时间和位置的变化趋于平缓，说明颗粒表面吸附过量聚阳离子后带正电，因静电排斥重新稳定，分散体不再发生快速沉降，和 “电荷反转后再稳定" 的机理相匹配。

图2 不同浓度PDADMAC聚阳离子（g/L）下二氧化硅分散体透射率指纹图谱

结合图3的积分透光率动力学曲线，斜率越大，说明透光率上升越快（颗粒沉降/聚集越剧烈），分散体越不稳定；斜率越小，分散体越稳定。当未添加聚合物或低PDADMAC 浓度（0.0032 g/L）时，曲线斜率大，对应絮凝/快速沉降，代表分散体不稳定；而高 PDADMAC 浓度（如0.32、1.6g/L）时，曲线斜率小，对应了电荷反转后稳定分散，体现了分散体稳定性的提升。

图3 不同浓度PDADMAC聚阳离子积分透光率动力学曲线

与此同时，通过传统测试方法验证，浊度（图 4a）和上清液电荷（图 4b）显示，PDADMAC浓度对分散体稳定性有显著调控作用，随着浓度变化分散体系呈现出“絮凝 - 澄清 - 再稳定" 的过程。在 0.0032~0.0064 g/L 的相分离区间内，颗粒聚集沉降，体系浊度骤降（浊度＜200UIN）；根据图4（b）判断，低浓度时颗粒因负电未被中和而聚集，高浓度时因吸附过量正电聚合物而静电排斥再稳定。

图4 传统方法（浊度-电荷）测试PDADMAC浓度对分散体稳定性的影响

由此可知，LUMiSizer的量化结果与传统测试结论保持一致 —— 低浓度聚阳离子引发快速絮凝，高浓度因电荷反转实现再稳定。同时，相较于传统的测试方法，LUMiSizer 通过STEP技术，能将如下几个方面做的更好：

• 效率更高：本文中传统方法需长达20小时的静置来观察最终结果，而LUMiSizer 通过离心加速分层，1 小时内即可完成检测，大幅缩短实验周期；

• 表征更全面：传统浊度法仅能通过浊度值间接反映样品分散状态，而 LUMiSizer 可借助空间 - 时间消光图谱，全面且同步记录样品透光程度随位置与时间的变化，直接获取沉降速度、界面迁移等关键动态参数。

• 定量更精准：传统测试方法法难以精准量化分散体稳定性，LUMiSizer 则可通过积分透光曲线斜率定量表征稳定性，还能关联离心力与重力，直接预测货架期。

• 处理更高效：传统浊度法需单独制备样品，LUMiSizer 最多可同时测试 12 个样品，便于快速对比分析不同聚合物浓度、类型对分散体系稳定性的影响。

三种 PVB 衍生物（PVB-TMAC、PVB-DMBAC、PVB-PYC）的稳定行为与 PDADMAC 相似，但存在结构特异性：

• 根据图5和表2可知，当浓度为7.5g/L 时，PVB-TMAC 与 PVB-PYC 的界面位置在 3600s 时仅上升 5mm，斜率分别为 7.9μm/s、7.8μm/s，稳定性好；而PVB-DMBAC 因高疏水侧链，浓度略低（5g/L），斜率 8.25μm/s，但高浓度下无稳定性衰减（与 PDADMAC 差异显著）。

图5 不同浓度 PVB 衍生物的分散体界面位置随时间变化曲线

表2 不同聚阳离子类型分散体的斜率（μm/s）对比

（注：空白分散体斜率为 20.7μm/s）

低阳离子电荷的 TP 同样能有效稳定二氧化硅分散体（图 7）：

• TP 的相分离区间为0.02-0.06g/L，高于 PDADMAC 和 PVB 衍生物；

• 随着 TP 浓度升高，分散体稳定性持续提升，高浓度时表现出稳定效果，无稳定性下降现象；

• 对比不同聚合物的斜率值（积分透射率随时间的增长速率），TP 体系的斜率低（表 2），表明其稳定效果好

图7  TP 浓度对二氧化硅分散体稳定性的影响（积分透射率曲线）

聚合物电荷密度与分散体稳定性密切相关（图 8）：随着聚合物电荷密度增加，分散体斜率逐渐降低，稳定性提升，表明静电排斥是主要稳定机制。但相同电荷含量下，PVB 衍生物和 TP 的稳定效果优于 PDADMAC，说明稳定机制还包括空间位阻作用。尤其是 TP，其低电荷密度但强空间位阻效应，使其成为好的稳定剂。

图 8 聚合物电荷对分散体稳定性的影响

基于 LUMiSizer 测试数据，可预测不同分散体的在常温下的货架期（图 9）：

• 空白分散体的货架期仅1小时；

• 5g/L PDADMAC 或 PVB 衍生物稳定的分散体，货架期延长至约10小时；

• 5g/L TP 稳定的分散体，货架期可达 15 小时，进一步验证了 TP 的优异稳定性能。

图9 不同聚合物浓度下分散体的预测货架期

1. LUMiSizer 全功能型稳定性分析仪凭借 STEP 技术，能够直接采集沉降速度、积分透射率曲线等核心数据，快速表征各类纳米二氧化硅分散体的稳定性，精准预测产品货架期。该设备为分散体配方的筛选与优化提供了强有力的技术支撑，相比传统方法，检测效率实现显著提升。

2. 本文中，两性三元共聚物 TP 因兼具静电排斥和空间位阻作用，表现出好的稳定性能，其稳定的分散体货架期最长，是纳米二氧化硅分散体的理想稳定剂。

3. 所有测试聚阳离子均可通过静电排斥作用稳定纳米二氧化硅分散体，但稳定性受聚合物浓度和结构显著影响：低浓度时易引发絮凝，中高浓度时实现稳定；PDADMAC 在高浓度下稳定性下降，而 PVB 衍生物和 TP 在高浓度下仍保持良好稳定效果。