图2-3以单个微小粒子为例描述了实用上两个最基本、最重要的分散概念图。如图2所示，假设使用某种高分子，当微小粒子存在于介质中，高分子以高分子链的形式在微小粒子的表面组成空间立体保护网，这种高分子的立体网状结构将能有效防止粒子之间的再团聚。图2实际上就是分散剂/表面活性剂的理想效果。微小粒子当然开始是以团聚形式出现，如何裂解粒子之间的巨大的团聚结合力，如何恰到好处使得分散剂/表面活性剂进入微小粒子之间是应用该技术的关键点。

图2高分子分散剂/界面活性剂分散到颗粒表面的示意图

    另外一种可以利用的方式如图3所示，即利用同性电荷相互排斥的原理。当固体颗粒悬浮于电解质溶液中时，溶液中的电荷和固体颗粒相互作用，粒子带电。如图3所示，固体颗粒和溶液的界面上，固体颗粒一侧带正电，溶液一侧带电，距离溶液较远处，呈现溶液的性质，正负电荷平衡，这样就从固体颗粒和溶液的界面到距离溶液较远处形成电位势能场。固体颗粒和溶液的界面上的带电不容易测得，实际上通过测出界面某一距离的电位来获取势能场的性质，该距离被称为Zeta电位（ζ-potential）。

图3颗粒表面与介质中电荷的示意图

图4表示二氧化钛在说中的Zeta电位和溶液的pH值之间的关系，图中显示了二氧化钛等电点（正负离子的总和相等、不带电时的pH值，见表1）；只要避开等电点附近的pH值，二氧化钛可以在广泛的pH值之内安定分散。

图4 二氧化钛在水中的带电和溶液的pH值之间的关系⁽⁵⁾

    利用图4的结果可以控制微小颗粒的分散效果。如图5所示，如果使得pH值偏离等电点，二氧化钛在水中的表面带电，同性电荷相互排斥从而实现安定分散效果，反之带电被中和后，固体颗粒将团聚。

图5 通过控制二氧化钛在水中的表面带电实现不同分散效果的示意图

     Zeta电位在胶体化学中有着重要的意义，受固体颗粒表面状态、电荷分布、吸附物质等的影响。图6是纳米锐钛型二氧化钛改性后的Zeta电位的测试例子⁽⁶⁾。图6所使用的纳米锐钛型二氧化钛经过有机酸处理，粒径为6（○）, 13（△）, 45nm（□），使用的动态激光散射仪是ELS-800（大塚电子株式会社）。

图6  纳米锐钛型二氧化钛经过有机酸处理后的Zeta电位与pH值的关系⁽⁶⁾

 

3.2    二氧化钛的分散实例

  图7是纳米锐钛型二氧化钛（XRD一次性粒径7nm）的分散一例，二氧化钛含量20%（重量比），所采用的分散剂为某水性高分子分散剂，最终pH值约为8.1。图7中的横坐标是粒子的直径，右侧的纵坐标（右箭头）是每种粒径所占的百分比、左侧的纵坐标（左箭头）是所有粒径所占的百分比之和。存在于溶液中的二氧化钛颗粒统计结果为：10%=35.6nm，50%=50.7 nm，90%=109.3 nm 。

图7  纳米锐钛型二氧化钛分散后的粒径分布统计结果

 

4， 结束语

从上述分散/团聚的一般概念可以看出，Zeta电位反映的是固体颗粒和溶液的界面上电荷分布（电荷势能场）的参数，受固体颗粒表面状态、电荷分布、吸附物质、溶液等的影响，它不是一个独立可变的一次变量，而是随其他因素变化的二次变量，所以不能独立调整纳米颗粒Zeta电位而不改变其他条件。

从国外的分散实践来看，分散剂种类多样，水性环保的分散剂大量用于半导体、涂料、液晶、印刷、日用化工、食品等行业。仅限二氧化钛光触媒的分散而论，如果分散技术合理，可以使用很少的分散剂、甚至不使用任何分散剂（参照图4:pH≈7的中性水溶剂也能使二氧化钛表面带负电），取得理想的分散效果也是可能的；同时，pH≈7绝不意味着需要使用醇等有机溶剂作为分散溶剂，纯水也是很好的分散溶剂（图4）。

 

注：该论文为中国电镀行业权威学术刊物《电镀于装饰》特约专栏稿件，06年第六期

 

参考文献

[1] A. Fujishima, K. Hashimoto, T. Watanabe, TiO2 Photocatalysis: Fundamentals and Applications[M], Tokyo :BKC, Inc., 1999.

[2] A. Fujishima, T.N. Rao and D.A. Tryk, Titanium Dixide Photocatalysis, J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Reviews [J], 2000, 1, 1.

[3]  T.Tatsuma, S. Saitoh, Y. Ohko, and A. Fujishima, TiO₂-WO₃ Photoelectrochemical Anticorrosion System with an Energy Storage Ability, Chem. Mater. [J], 2001, Vol. 13, 2838-2842.

[4] T. Ohno, K. Sarukawa, K. Tokieda and M. Matsumura, Morphology of a TiO2 Photocatalyst (Degussa, P-25) Consisting of Anatase and Rutile Crystalline Phases, J Catal [J], 2001, Vol. 203，PP. 82-86.

[5] 清野学著, 二氧化钛的物性与应用技术[M]，日本：技报堂出版，1991年

[6] 村松久仁彦，LB方法的微小粒子薄膜的制备和其结构评价[J]，武藏工业大学原子力研究所报  NO. 27，2001年，武藏工业大学原子力研究所发行，p.163。

 

 

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[1]刘玉付，男，1966年6月出生。1986年东南大学毕业；1995年日本东京大学毕业获工学博士学位；1996年进入日本国家研究室、物质材料研究机构工作；2002-2003年被日本国家研究室派到美国Brown University（布朗大学）作访问学者；2003年物质材料研究机构、主任研究员；2005年东京大学先端科学技术研究中心客座副教授。研究方向：先端复合材料的界面表征与力学特性。2005年2月成立常阳环境科技有限公司