【应用】使用固体Zeta电位测量仪测量玻璃纤维的表面电位和等电点

使用固体Zeta 电位测量仪测量玻璃纤维的表面电位和等电点

检测样品：玻璃纤维无纺布

检测项目：Zeta电位、等电点

应用领域：绝缘材料、增强复合材料、通信光缆等

 在玻璃纤维增强复合材料、绝缘材料等核心应用领域，玻璃纤维与聚合物的界面结合力直接决定产品性能。而这一关键性能的调控，离不开对玻璃纤维表面电位（Zeta电位）和等电点（IEP）的精准掌握——表面硅羟基的解离特性、浸润剂的吸附效率、分散体系的稳定性，均与这两个参数密切相关。深入了解玻璃纤维的表面性质，对于开发表面处理工艺、优化玻璃纤维增强聚合物复合材料性能至关重要。

 固体表面Zeta 电位的测量不仅能够评估固体表面的电荷状态和可解离官能团，还可助力分析固体表面关于酸性或碱性的分散力。本文采用德国DataPhysics 公司生产的ZPA 20 固体Zeta 电位测量仪（图1）研究玻璃纤维表面的电学性质和官能团。

图1. ZPA 20 固体Zeta电位测量仪

 固体表面与水溶液接触后大多会带电，这是由于官能团的解离以及溶液中离子和分子的吸附。当溶液流经固体表面，固体表面强吸附的离子和分子与周围溶液中移动的离子之间会形成一个剪切面（图2）。该剪切面上的电势，即Zeta电位，是衡量固体表面电荷情况的一个非常敏感的指标。通过与pH值或浓度相关的Zeta电位测量，可以得出有关表面功能基团性质和吸附过程的结论。

图2，水溶液中固体表面的电荷形成

 德国DataPhysics公司的固体Zeta电位测量仪ZPA 20采用流动电势（Eq.1）和流动电流（Eq.2）法。电解质溶液双向往复流经固体表面（片状，纤维等），溶液流动会剪切固体表面附近的可移动离子层，从而产生交变电势和电流。由流动电势Ustr或流动电流Istr与压力差Δp之比，计算出Zeta电位：

在上述公式中：

η 为溶液粘度；

εᵣ为溶液相对介电常数；

ε₀为溶液真空绝对介电常数；

κ 为溶液电导率；

L、H、W 为板状样品间流动通道的尺寸

由以上公式可知，使用流动电流法测量需要知道样品通道的尺寸和溶液的粘度，此方法适合板状固体样品的测量。使用流动电势法测量需要知道溶液的粘度和电导率，此方法适用于纤维、粉末和板状样品测量。

         1. 样品与仪器准备

       Ø  仪器预处理：在ZPA20上搭配LDU 25液体自动注射单元（图3），可实现溶液浓度与pH的自动调节；

图3， LDU 25 液体自动注射单元

       Ø   样品制备：利用专用的样品制备工具将玻璃纤维片裁剪为直径19mm的圆片，并将其装入样品池，通过压缩转移盘轻轻固定，确保样品堆积均匀；

       Ø    电解质溶液配置：准备1mmol/L KCl溶液作为基础电解质（pH≈6），并配备0.1mol/L HCl和KOH溶液作为滴定剂，用于调节pH范围。

       2. 测量步骤

        Ø  向仪器内注入1mmol/L KCl溶液，通过“自动排除气泡"功能清除样品池及流道中的气泡，避免干扰测量结果；

       Ø  利用LDU 25自动滴定功能，分别从中性到酸性、中性到碱性两个方向调节pH，仪器自动记录不同pH下的压力与流动电势数值并自动计算Zeta电位值；

图 4 展示了玻璃纤维的 Zeta 电位随 pH 值的变化曲线，具有典型的变化趋势：

图4， 玻璃纤维表面Zeta电位随PH变化关系图

       （1）低 pH 值时 Zeta 电位为正值，随着 pH 值升高，Zeta 电位逐渐降低并变为负值。这一现象部分源于官能团的解离，另一部分则与水合氢离子（H3O+）和氢氧根离子（OH⁻）的 pH 依赖性吸附有关。

       （2） 等电点（即 Zeta 电位为零对应的 pH 值）是验证可解离官能团的重要参数：等电点低于 pH 4 且在碱性范围出现平台区，表明表面存在酸性基团；等电点高于 pH 5 且在低 pH 值出现平台区，是碱性基团的特征；等电点在 pH 3~4 左右，则常见于中性或两性表面。

       （3）由图 4 可知，该玻璃纤维样品的等电点为 pH 3.3，表明其表面存在酸性羟基。此外，该等电点数值与标准玻璃纤维的报道值一致，证实了使用 ZPA 20 进行 Zeta 电位测量的高可靠性。同时，在 pH 6~10 的碱性范围内，zeta 电位呈现出稳定的平台区。这表明，在中性至碱性 pH 范围内，所有羟基均全部解离，使表面带负电荷。

另外，在固体表面 Zeta 电位测量中，固液两相界面发生较高压力的高速剪切运动，样品容易发生翘边或涂层剥离等现象，相较于单方向剪切流动的测量方式，双向往复流动测量法能轻松发现这些问题。如图 5 的测量曲线可知，测量时双向压力振荡所形成的正弦曲线平滑且均匀，这清晰表明样品在整个测试过程中是稳定的。

图5， 振荡压力（蓝色）与对应的流动电势（红色）随时间的变化关系

使用德国Dataphysics公司生产的ZPA 20 固体Zeta电位测量仪可以测量玻璃纤维（同样适用于碳纤维、片状固体材料等）样品表面随pH值变化的Zeta电位和等电点。该技术能够识别玻璃纤维表面的官能团，以及由浸润剂或改性剂引入的官能团，这在多个应用领域具有重要意义，例如：纤维增强聚合物用玻璃纤维的表面改性、玻璃纤维与涂层间粘附性能的研究等等。