其他行業應用專題 | 納米粒度儀在聚氨酯乳液檢測中的應用

本文隸屬于其他行業應用專題，全文共 5439字，閱讀大約需要 14 分鐘

摘要：水性聚氨酯乳液作為一種以水為分散介質的聚合物體系，在涂料、膠黏劑、油墨等領域應用廣泛^[1][2]。其粒徑大小及Zeta電位是決定乳液穩定性及成膜性能的關鍵指標^[1]。近期，我們針對不同批次的聚氨酯乳液樣品進行了系統的粒徑與Zeta電位測試。結果顯示，各批次樣品均呈現多分散特征，其中樣品Sample B具有較小的平均粒徑與最高的Zeta電位絕對值，預示其穩定性最佳。通過標準粒子添加實驗驗證，Nicomp Z3000儀器憑借其專有的多峰算法，成功識別出復雜體系中的微量組分，證明了其在多分散體系表征中的高分辨率與準確性。

關鍵詞：聚氨酯乳液；Nicomp Z3000；動態光散射 (DLS)；Zeta電位；多分散指數 (PDI)；反卷積算法

聚氨酯乳液因其獨特的組成與結構，展現出力學性能、熱性能及耐化學性能等諸多特性，在涂料、膠黏劑、油墨等領域應用廣泛。作為一種非均一的分散體系，其粒徑大小與粒徑分布緊密相關，乳液粒徑及粒徑分布決定了成膜過程中乳液粒子間的堆積方式與分子鏈擴散程度，此外，乳液體系中如果存在大顆粒或者微小雜質，不僅僅會影響材料的力學性能，還會導致其屏障性能下降，甚至損傷施工設備。Zeta電位絕對值越高，顆粒的分散體系越穩定。因此，對粒徑分布及Zeta電位的精準測量，對于評估聚氨酯乳液的產品質量與優化生產工藝具有重要意義。

聚氨酯乳液在生產中常形成粒徑不均一的多分散體系，傳統的高斯分析模型往往只能給出平均化的單峰結果，無法真實反映體系內各組分的分布情況，這為精準表征帶來了挑戰。Nicomp Z3000納米粒度及電位分析儀采用動態光散射（DLS）與電泳光散射（ELS）原理，其搭載的Nicomp®多峰分布算法，能夠有效解析復雜體系，為多分散樣品的精準表征提供了可靠的解決方案。

本次測試樣品三批聚氨酯乳液（Sample A、Sample B、Sample C）。

使用Nicomp Z3000納米粒度及Zeta電位分析儀進行檢測。

圖1 Nicomp Z3000納米粒度與Zeta電位儀

該儀器采用的是動態光散射法（DLS）^[3]與電泳光散射法（ELS）原理。動態光散射是通過光強值的波動得到自相關函數，從而獲得衰減時間常量τ，進而計算獲得粒子的擴散速度D，代入Stokes-Einstein方程式，計算得到顆粒的半徑。Zeta電位檢測則基于多普勒電泳光散射原理，通過測量帶電顆粒在電場中的泳動速度來推算其Zeta電位。粒徑測試條件為：溫度25℃，測試時間5分鐘；Zeta電位測試采用純水稀釋樣品，電場強度4V/cm。

圖2 DUKE 88nm標準粒子的粒徑測試結果（測試前驗證粒徑準確性）

表1動態光散射（DLS）測試結果展示 （部分）

注：表1左側是重復測試3次的Gaussian分布下的疊加圖，樣品在Gaussian分布下的譜圖重復性高，數據重復性較好。右側為Time-History曲線圖，表征樣品在測試過程中的光強徑（紅色）、體積徑（深藍色）、和數量徑（淺藍色）的變化。表格右側3幅Time-History曲線圖中，Sample B的三條曲線趨近于平行，說明在測試過程中，樣品中的顆粒數量和大小比較穩定。

表2粒徑測試數據匯總表

注釋：Chi值（擬合優度參數）是衡量實驗數據與理論模型之間誤差大小的統計學參數，用于表征測試結果與真實情況的吻合程度。在顆粒檢測中，Chi值越接近1，表明測試數據的置信度越高、質量越好，反之則提示樣品可能發生了沉降、團聚或體系存在多分散性，需重新審視測試條件或樣品狀態。

PI值可用于表征樣品的分散體系，PI值＜0.1說明樣品有較高的均一性，0.1＜PI值＜0.2說明樣品分散體系存在多分散的可能，PDI＞0.5則表明體系多分散性較強。對于聚氨酯納米改性研究而言，PI系數大于0.1預示著樣品中很可能存在多種粒徑組分（如未分散的納米團聚體與基體乳液粒子共存）。這種粒徑分布的不均一性會對聚氨酯乳液性能帶來潛在威脅。粒徑及粒徑分布對膠膜吸水率有重要影響，乳液粒徑越小，粒徑分布越窄，水分越難滲入膠膜內部，膠膜吸水率越低。若體系中存在大顆粒或粒徑分布過寬，可能導致成膜過程中粒子堆積不緊密，形成微觀缺陷，進而影響力學性能與耐水性。在本輪測試中，三個樣品的PI值均＞0.1，提示以上3個樣品可能是多分散體系。

Sample A、Sample B、Sample C的平均光強粒徑（MDD）分別為211.46nm、149.37 nm和156.14nm。Sample A的平均粒徑明顯大于Sample B和Sample C。所有樣品的PI值均大于0.1，提示樣品是多分散體系。粒徑分布圖直觀展示了不同樣品的粒徑分布情況，其中Sample A、Sample B、Sample C均呈現出多峰或寬峰分布特征。

圖3 Entegris  zeta電位標準粒子（標稱值46.5±10mV）驗證電位準確性

表3 樣品Zeta電位測試結果匯總

注釋：ZETA電位可表征顆粒間相互靠近時的靜電排斥力，通常來說，Zeta電位值絕對值越高,顆粒的分散體系越穩定。在本輪實驗中，Sample B的ZETA電位絕對值最大，穩定性最好。

圖4 Sample B的 Zeta電位測試結果圖

注：結合圖2 趨勢分布圖和表3的Zeta電位數據分析，Sample B的分散體系相對Sample A及Sample C而言穩定。綜合表2的粒徑測試數據，我們不難得出Sample B的顆粒粒徑分布及穩定性的結論，這對應著更優的儲存穩定性和成膜致密性。

Nicomp多峰模式分析，這是一種先進的反卷積算法。其核心意義在于，它不依賴于單一的理想分布模型（如高斯分布），而是通過復雜的數學反演過程，直接從原始相關函數數據中解析出體系內所有可能的粒徑組分分布。這使得它在面對多分散體系時，能夠突破傳統算法的局限，將不同粒徑的組分清晰地分離開來。

Nicomp多峰算法可以有效區分不同粒徑（粒徑1:2區分度），為復雜體系和多組分體系提供了強有力的生產工具。這對于監測納米改性乳液中無機粒子是否發生團聚、是否均勻分散至關重要。即便體系中存在微量團聚體，儀器也能將其與主峰分離，實現定量分析，避免了傳統高斯算法因“平均化"處理而掩蓋真實組分信息的弊端，從而為質量控制提供了更真實、更精準的依據。

為了進一步驗證儀器Nicomp模式的靈敏性，我們往Sample B稀釋后2000倍后的溶液中添加5μL的40nm的標準粒子溶液后進行測試。

圖5 DUKE 40nm標準粒子的3次粒徑測試結果疊加圖

圖6 添加了DUKE 40nm標準粒子至樣品中后，Nicomp模式下的粒徑分布

注：從圖5和圖6的對比，可以看出Nicomp模式成功識別出添加的40nm標準粒子，并能準確給出其粒徑分布。這證明了Nicomp Z3000搭載的Nicomp®多峰算法，相對于傳統的高斯算法，能夠有效區分不同粒徑組分，無需單獨測試。

上述測試不僅精準揭示了樣品間的微觀差異，驗證了高精度表征在質量控制中的必要性，更折射出行業發展的新趨勢。在精準把控粒徑與電位基礎指標之上，隨著聚氨酯材料向高性能化、功能化進階，行業目光正逐步聚焦于更具潛力的納米復合改性領域。

當前，納米顆粒在聚氨酯乳液中的應用成為研究熱點，例如，納米SiO?因其高比表面積和優異的分散性，能夠有效增強聚氨酯乳液的機械強度和熱穩定性；同時，其表面豐富的羥基官能團為與聚氨酯基體形成氫鍵提供了可能，從而進一步提升了復合材料的界面結合強度^[5]。納米TiO?則以其光催化性能和紫外線屏蔽能力而聞名，在涂料和膠黏劑領域表現出色，尤其是在提高耐候性和抗老化性能方面表現突出^[6]。此外，碳納米管和石墨烯因其獨特的二維結構和優異的導電性，被廣泛應用于功能性聚氨酯乳液的開發中，例如在電磁屏蔽材料和柔性電子器件中的應用[4]。不同種類的納米顆粒通過其物理化學性質，為聚氨酯乳液賦予了多樣化的功能特性，同時也為復合材料的設計與優化提供了豐富的選擇空間。

然而，納米顆粒在聚氨酯乳液中的應用盡管展現了顯著的性能提升效果，但其團聚問題仍然是當前研究中的一大挑戰。由于納米顆粒具有高比表面積和強表面能^[2]，其在聚氨酯乳液中容易發生聚集現象，從而導致分散性下降并影響材料的整體性能 。團聚不僅會降低納米顆粒與基體之間的界面相互作用，還可能導致材料內部應力集中，進而引發力學性能的惡化 。此外，團聚現象還會對乳液的穩定性產生不利影響，尤其是在長期儲存過程中，可能出現分層或沉淀等問題 ^[4]。因此，精準表征團聚狀態成為監測納米改性乳液質量的關鍵。

在這些研究中，Nicomp Z3000納米激光粒度儀憑借其優勢，能為研究人員提供以下有力支持：

• 復雜體系解析能力：通過Nicomp®多峰分布算法，能夠有效區分復雜體系和多組分體系中的不同粒徑，測量精度誤差≤±3%，對監測納米改性乳液中無機粒子的分散狀態至關重要。

• 高效的測試流程：可搭載自動進樣模塊和自動稀釋模塊提高檢測效率，減少了人為操作帶來的誤差。

•  廣泛的適應性：配備高強度激光光源和高靈敏度探測器，適應不同濃度和粒徑大小的分散體系，無需繁瑣稀釋過程即可獲取準確數據。

• 環境模擬功能：樣品池控溫系統（0℃～90℃，±0.1℃）允許研究人員模擬不同的儲存溫度，評估聚氨酯乳液的穩定性及環境適應性。

• 配方優化支持：Time History分析功能可實時監控粒徑變化，幫助研究人員對比不同納米粒子測試時的光強徑、體積徑和數量徑分布情況，便于驗證是否多分散體系，及優化配方設計。

• 靈活的數據處理：支持測試后重新計算功能，即使忘記設置溶劑參數，也可以在測試完成后進行調整，無需重新測試，極大提升了實驗效率。

• 全面的穩定性評估：Zeta電位檢測采用鈀電極裝置，結合PALS相位分析技術，在水相和有機相中均能穩定檢測電位，為評估納米復合乳液的長期儲存穩定性提供了有力保障。

基于對三批次聚氨酯乳液的測試分析，數據表明樣品均為多分散體系（PI>0.1）。其中，Sample B展現出優的綜合指標：平均粒徑最小（149.37nm），且Zeta電位絕對值最高（-59.07mV），這從理論上預示其具有更佳的儲存穩定性與成膜潛力。驗證實驗進一步證實了數據的可靠性：Nicomp的多峰分布算法成功從復雜背景中識別出添加的微量40nm標準粒子，凸顯了其在解析多分散體系上的高分辨率與準確性。

當前，聚氨酯乳液的研究正朝著高性能化、功能化方向發展，納米改性（如引入SiO?、TiO?）是提升其力學、熱學性能的關鍵途徑。然而，納米顆粒極易因高表面能而發生團聚，此過程難以把控，成為研發與質控中的核心痛點。Nicomp Z3000的突出價值正在于此：Nicomp多峰算法能夠精準識別和量化體系中不同尺度的顆粒（包括團聚體），為客觀評估分散效果、優化改性工藝提供了量化工具，從而有力支撐高性能聚氨酯產品的研發與生產。

參考文獻

[1] 楊美英;劉馨心;陳宗瑞;袁明龍;袁明偉.羧酸型水性聚氨酯的合成及在水基油墨中的應用[J].塑料工業,2022,50(5):93-98.

[2] 趙錦.環保型水性聚氨酯高分子材料的改性分析[J].廣州化工,2023,51(11):36-38.

[3] 柴春鵬;馬一飛.不同粒徑水性聚氨酯乳液的制備與性能研究[J].北京理工大學學報,2018,38(4):417-422.

[4] 曾國屏;陳衍華;王振希;孫復錢;游勝勇.納米材料/聚氨酯復合乳液性能研究進展[J].涂料技術與文摘,2014,35(3):18-21.

[5] 戴俊;陳煥懿;韋凌志.聚氨酯/無機納米復合材料研究進展[J].化工進展,2014,33(9):2380-2386.

[6] 辛晨;李再峰.聚氨酯/納米粒子復合材料的研究進展[J].彈性體,2019,29(5):73-78.