納米TiO₂顆粒因其獨特的光催化、紫外線屏蔽和小尺寸等特性，在各領域具有廣泛應用前景。然而，由于納米顆粒的高比表面積和表面能，容易導致團聚現象，從而影響在低滲透油田壓增注、涂料制備、廢水處理等工業應用。納米TiO₂性能主要受顆粒分散穩定性影響。解決納米顆粒的分散穩定性問題成為實現其特殊性能的關鍵。

圖1.TiO₂分散體系初始狀態和靜置24小時后狀態

為了充分發揮納米顆粒在流變、成膜、潤濕等方面的獨特性能，解決納米TiO₂顆粒在分散體系中的穩定性問題至關重要。實際生產中，納米顆粒的分散液可能會處于不同的酸堿環境中。因此，本研究旨在利用BeScan Lab穩定性分析系統，采用多重光散射方法，更全面地評估納米TiO₂顆粒分散液在不同pH值條件下的分散穩定性效果。

原理和方法：

使用丹東百特儀器有限公司研制的BeNano 180 Zeta Pro納米粒度及Zeta電位分析儀檢測樣品在不同pH環境中Zeta電位，同時使用BeScan Lab穩定性分析儀檢測樣品的穩定性信息，其中BeScan Lab具有透射方向（T）和背向（BS）探測器，通過隨時間掃描不同樣品位置的信號還可以得到定量的不穩定性指數I_US：

I_US值越大，說明樣品體系的變化越大，穩定性越差。

實驗：

使用酸堿將TiO₂（0.5%重量濃度）水分散液調節至pH=2、4、6、8、10，對于樣品進行電位和穩定性測試。

測試結果和討論：

1. Zeta 電位測試結果：

表1. 電位測試結果

可以看出，納米TiO₂顆粒呈現負電性。隨著pH值的變化， Zeta電位發生了明顯的變化，當pH為2時，電位絕對值很低，隨著pH的增加，分散液的Zeta電位顯著升高。

2. 多重光散射掃描和分析結果：

1. 原始信號

得到TiO₂水分散液在25℃溫度下的透散光信號（T）和背散射光信號（BS）在樣品高度隨時間的變化圖譜:

圖2. pH=2樣品的透射光和散射光原始信號

圖3. pH=6的TiO₂水分散液的透射光和散射光原始信號

圖2和圖3分別顯示pH=2和6 的TiO₂的透射光和背散光原始信號隨位置變化的詳細信息。從圖2 的透射光譜可以看出pH=2時，體系非常不穩定，分散體系很快由渾濁變得透明，這表明體系中納米顆粒沉降速度非常迅速，顆粒的團聚發生的很快，并且變成大顆粒聚集在樣品的底部。而pH為6的體系, TiO₂的水分散液在一個小時內觀察不到明顯顆粒團聚現象，透射光幾乎為0，其在背散射光方面表現出較強的靈敏性，因而可以通過監測背散射參比信號(dBS)的變化，深入研究的TiO₂的分散體系物理穩定性特征。

2. 參比信號

圖4. pH=6的TiO₂水分散液的背散光參比信號

圖4展示了pH=6的TiO₂水分散液背散射光信號變化（dBS）。通過圖中的觀察，可以看出：

l 在樣品底部，背散光信號顯著增強；

l 在樣品中部，背散光信號有輕微的平行下降的特征；

l 在樣品頂部，背散光信號下降；

這表明樣品發生明顯團聚和沉降的過程。

3. 整體I_US不穩定指數

通過不穩定指數（I_US），可以追蹤樣品中隨時間發生的理化特性的動力學變化。I_US指數的計算綜合考慮了樣品中各種變化的程度。可以看出樣品的不穩定性指數與環境pH具有較高相關性。

圖 5. 不同pH下的TiO₂水分散體系頂部I_US隨時間的變化曲線

a）                        b)

圖 6. 不同pH下的TiO₂水分散體系Zeta電位（a）和頂部I_US  (b)的變化曲線

圖6為樣品的Zeta電位vs pH曲線，以及不穩定性指數I_US vs pH曲線，可以看出樣品的Zeta電位與其不穩定性相關性極大。Zeta電位越低通常意味著樣品越不穩定，其變化越劇烈。

總結：

BeScan Lab穩定性分析系統提供了一種簡便、快速且定量化的評估方法，用于分析不同pH條件下納米TiO₂水分散體系的穩定性。測試表明，在pH>6時，分散體系Zeta電位較高，同時具有較好的穩定性，而當pH較低時體系Zeta電位較低，穩定性也較差。結合BeNano系列納米粒度及Zeta電位分析儀與BeScan Lab穩定性分析儀能夠迅速提供體系穩定性的關鍵數據并研究其背后的原因。