Tribotechnické listy

 

 

Zeta potenciál ako indikátor povrchových vlastností

Bez ohľadu na technologickú aplikáciu, biológiu alebo medicínu, si úspešný výsledok vývoja nových materiálov žiada detailné znalosti ich povrchových vlastností. Chémia povrchov sa veľmi často zaoberá stanovením vhodnosti produktov k určitej aplikácii a práve vhodná úprava je kľúčom pre nastavenie vlastností povrchu, ktoré by spĺňali požiadavky danej aplikácie. Stále sa skracujúca doba, ktorá je k dispozícii pre taký vývoj hľadá spôsoby rýchlej a vierohodnej analýzy pevných látok s preferenciou možnosti jej prevedenia v reálnych podmienkach danej aplikácie.

 

Pre chemickú analýzu povrchu pevných látok sa štandardne používajú rôzne fyzikálne metódy, ktoré veľmi často potrebujú zdĺhavú prípravu vzorky, alebo nie sú dostatočne citlivé aj na okrajoch testovaných povrchov. Zeta potenciál je parameter charakteristický pre popis povrchovej chémie pevných materiálov. Generuje sa na rozhraní medzi povrchom a okolitou kvapalinou. Zeta potenciál reprezentuje povrchový náboj, ktorý vzniká v prítomnosti vodného roztoku, kde dochádza k disociácii funkčných skupín hydrofilných povrchov, alebo k adsorpcii aniónov na hydrofóbny povrch. Zmena pH kvapaliny ovplyvňuje rovnováhu medzi procesmi disociácie a adsorpcie a umožňuje skúmanie chemických vlastností povrchu. Zeta potenciál je parameter, ktorý sa bežne používa v koloidnej chémii a v prípade suspenzií je rozhodujúcim parametrom stability či koagulácie. U koloidných disperzií sa zeta potenciál stanovuje pomocou elektroforetických alebo elektroakustických metód, ktorými sa meria pohyb nabitých častíc v elektrickom poli.

 

Meranie prúdu prúdenia a potenciálu prúdenia

Zeta potenciál makroskopických povrchov pevných látok sa stanovuje metódou potenciálu prúdenia a prúdu prúdenia, pri ktorom je povrch materiálu za definovaných podmienok omývaný vodným roztokom. Prístroj SurPASS z produkcie Anton Paar ponúka prostredníctvom niekoľkých typov meracích ciel komplexné riešenie meranie zeta potenciálu pevných materiálov rôznych tvarov a veľkostí.

Cylindrická cela je určená pre meranie vzoriek vlákien, práškov, alebo granúl usporiadaných do permeabilnej vrstvy, ktorou prúdi elektrolyt (obr. 1a). Tlaková diferencia medzi oboma stranami vzorky je daná jeho hustotou, ktorú je možné reprodukovateľne nastaviť pomocou zobrazeného prietoku.

V prípade dvoch meracích ciel určených pre vzorky s planárnym povrchom sa nastavuje definovaná štrbina medzi protiľahlými povrchmi. V priebehu merania dochádza k prúdeniu kvapaliny touto štrbinou, v ktorej sa generuje tlakový gradient a dochádza k separácii náboja na rozhraní pevnej a kvapalnej fázy. Elektrickou odozvou na posun náboja na rozhraní je potenciál prúdenia alebo prúd prúdenia.

Zatiaľ čo je v prípade upínacej cely (Clamping Cell) štrbina definovaná použitím distančnej fólie (obr. 1b), v cele s nastaviteľnou štrbinou (Adjustable Gap Cell) sa môže štrbina medzi vzorkami nastavovať kontinuálne. To umožňuje skúmanie povrchových vlastností vzoriek s hrubým povrchom, rôzne typy rozpínavosti nebo vysoký stupeň pórovitosti.

Nezávisle na použitom type meracej cely sa kontinuálne zvyšuje tlaková diferencia a meria sa výsledný potenciál prúdenia (resp. prúd prúdenia). Vzťah medzi týmito dvoma parametrami merania je lineárny (obr. 2), so smernicou dU/dp alebo dl/dp proporcionálnou so zeta potenciálom. Ako vlastnosť rozhrania medzi pevnou fázou a okolitou kvapalinou je zeta potenciál ovplyvňovaný konduktivitou, alebo koncentráciou elektrolytu v kvapalnej fáze.

Štandardne používaným elektrolytom je roztok KCl alebo NaCl s koncentráciou 1mmol/L, čo umožňuje reprodukovateľné nastavenie vodivosti. Nízka koncentrácia elektrolytu súčasne zaisťuje vysokú citlivosť metódy merania. Preferovanou metódou charakterizácie pevného povrchu je zmena pH roztoku, čo v podstate znamená titráciu na povrchu materiálu. Disociácia funkčných povrchových skupín má za následok tvorbu nosičov nábojov na povrchu. Počet týchto nosičov náboja sa mení s hodnotou pH. Uvedené súvislosti prinášajú kvalitatívny pohľad na chémiu týchto funkčných skupín. Takisto je možné vypočítať hodnoty pKa kyslých skupín a pKb zásaditých skupín základnej entity povrchu.

Prídavok ďalších látok do vodného roztoku (soli multivalentných iónov, aniónové alebo katiónové surfaktanty, polyelektrolyty, proteíny) poskytuje ďalší, aplikačne špecifický, pohľad na selektívne interakcie takých komponent s pevným povrchom.

Tieto princípy je možné využiť napríklad pri skúmaní adsorpčných procesov surfaktantov na povrchu textilných vlákien nebo plastových povrchov. Ďalším príkladom je zmena zeta potenciálu membránových filtrov na základe selektívnej adsorpcie divalentných katiónov na povrchu. Vďaka integrovanej titračnej jednotke je možné u prístroja SurPASS využívať automatické nastavenie hodnoty pH nebo koncentrácie aditív.

 

Klasické a špeciálne aplikácie

Aplikácií pre metódy potenciálu prúdenia, ktoré je možné merať pomocou prístroja SurPASS, je veľa, rovnako ako aj rôznych geometrií testovaných vzoriek. Klasickou aplikáciou je kvantifikácia efektov povrchovej úpravy. Povrchy polymérov typicky vykazujú nízku mieru zmáčavosti a slabú mieru adhézie náterových pigmentov a farieb. K overeniu týchto vlastností sa polymér predupravuje (plazmou alebo plameňom). Efektivitu a trvanlivosť zmienených procedúr je možné stanoviť pomocou zeta potenciálu.

Ďalšou možnosťou využitia prístroja SurPASS je v oblasti výroby plastových dielov. Tradičné materiály sa postupne nahradzujú kompozitnými materiálmi, ktoré sú kombináciou excelentnej mechanickej pevnosti a nízkej hmotnosti. Ako komponenty pre vystuženie kompozitov sa používajú sklenené alebo uhlíkové vlákna. Vhodnou modifikáciou ich povrchu sa dá docieliť kompatibility anorganických vlákien s organickou polymérnou matricou. V takom prípade je opäť k dispozícii zeta potenciál, ako spoľahlivý parameter pre charakterizáciu kombinácie sklenených vlákien s kopulačným činidlom (napr. silanmi).

 

Popri anorganických vláknach je zrejmé použitie prístroja SurPASS pre charakterizáciu prírodných a syntetických textilných vlákien. Využitie zeta potenciálu pre analýzu procedúr čistenia a farbenia textilu je detailne popísané v literatúre. Pokrok vo vývoji membránových filtrov určených pre pitnú vodu a úpravu odpadových vôd zreteľne ukazuje výhody použitia metód potenciálu prúdenia pre analýzu povrchov membrán. Veľa prác popisuje prínos tejto metódy k rozvoju porozumenia interakcií medzi membránou a soľou, alebo inými látkami rozpustenými vo vode.

 

V oblasti vývoja biomateriálov získavajú veľmi rýchlo význam znalosti týkajúce sa zeta potenciálu povrchov používaných konvenčných kovov a polymérov. Medicínske aplikácie takých materiálov vyžadujú pre akceleráciu adsorpcie proteínov a bunkový rast k zaisteniu akceptovateľnosti implantátu organizmom vhodné typy povrchových úprav. Optimalizácia hydrofilných vlastností povrchu materiálu je nevyhnutným krokom k vysokej biokompatibilite. Meranie zeta potenciálu podporuje vývoj týchto metód. Slúži nielen ako indikátor úspešnej povrchovej úpravy, ale poskytuje informácie o funkčných skupinách, ktoré sú zodpovedné za zmenu hydrofilných vlastností.

 

V neposlednom rade sa meranie zeta potenciálu osvedčilo ako metóda povrchovej charakterizácie nosičov polovodičov. Typickou aplikáciou je kvantifikácia účinnosti procesov čistenia a ich efektu na chémiu povrchu. V procesoch CMP(Chemical Mechanical Polishing) je interakcia medzi CMP suspenziou (väčšinou jemné častice oxidu hlinitého alebo kremičitého) a povrchom čistenej doštičky určená hodnotou zeta potenciálu častíc suspenzie a samotnej doštičky. Informácie o zeta potenciáli signifikantne redukujú čas potrebný k optimalizácii podmienok procesu. Potenciál prúdenia umožňuje nájsť vhodnú hodnotu pH alebo typ a minimálnu koncentráciu požadovaných surfaktantov.

 

Vývoj produktov s novými vlastnosťami materiálu

Nový prístroj SurPASS poskytuje plne automatické a vysoko reprodukovateľné stanovenie zeta potenciálu makroskopických pevných povrchov. Popri charakterizácii chémie povrchov širokej palety typov pevných materiálov, je pre rýchly a úspešný vývoj produktov s novými vlastnosťami veľmi dôležitá a užitočná predikcia ich interakcií s okolím.

Rozsah aplikačného použitia SurPASS siaha od klasických polymérov, technických vlákien, textilií a membrán až po výskum biomateriálov, nanomateriálov a substrátov polovodičov. Vyššie uvedené príklady demonštrujú vzrastajúci význam zeta potenciálu pre lepšie pochopenie vlastností materiálov a podmienok procesov.

 

Ing. Martina Vilimovská, Ing. Karel Voldřich

Anton Paar GmbH, organizační složka

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
5 + 1 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd