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摘要：水性聚氨酯乳液作為一種以水為分散介質(zhì)的聚合物體系，在涂料、膠黏劑、油墨等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛^[1][2]。其粒徑大小及Zeta電位是決定乳液穩(wěn)定性及成膜性能的關(guān)鍵指標(biāo)^[1]。近期，我們針對(duì)不同批次的聚氨酯乳液樣品進(jìn)行了系統(tǒng)的粒徑與Zeta電位測(cè)試。結(jié)果顯示，各批次樣品均呈現(xiàn)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(duì)值，預(yù)示其穩(wěn)定性最佳。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)粒子添加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，Nicomp Z3000儀器憑借其專有的多峰算法，成功識(shí)別出復(fù)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(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：聚氨酯乳液；Nicomp Z3000；動(dòng)態(tài)光散射 (DLS)；Zeta電位；多分散指數(shù) (PDI)；反卷積算法

聚氨酯乳液因其獨(dú)特的組成與結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出力學(xué)性能、熱性能及耐化學(xué)性能等諸多特性，在涂料、膠黏劑、油墨等領(lǐng)域應(yīng)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(guān)，乳液粒徑及粒徑分布決定了成膜過(guò)程中乳液粒子間的堆積方式與分子鏈擴(kuò)散程度，此外，乳液體系中如果存在大顆粒或者微小雜質(zhì)，不僅僅會(huì)影響材料的力學(xué)性能，還會(huì)導(dǎo)致其屏障性能下降，甚至損傷施工設(shè)備。Zeta電位絕對(duì)值越高，顆粒的分散體系越穩(wěn)定。因此，對(duì)粒徑分布及Zeta電位的精準(zhǔn)測(cè)量，對(duì)于評(píng)估聚氨酯乳液的產(chǎn)品質(zhì)量與優(yōu)化生產(chǎn)工藝具有重要意義。

聚氨酯乳液在生產(chǎn)中常形成粒徑不均一的多分散體系，傳統(tǒng)的高斯分析模型往往只能給出平均化的單峰結(jié)果，無(wú)法真實(shí)反映體系內(nèi)各組分的分布情況，這為精準(zhǔn)表征帶來(lái)了挑戰(zhàn)。Nicomp Z3000納米粒度及電位分析儀采用動(dòng)態(tài)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(fù)雜體系，為多分散樣品的精準(zhǔn)表征提供了可靠的解決方案。

本次測(cè)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(jìn)行檢測(cè)。

圖1 Nicomp Z3000納米粒度與Zeta電位儀

該儀器采用的是動(dòng)態(tài)光散射法（DLS）^[3]與電泳光散射法（ELS）原理。動(dòng)態(tài)光散射是通過(guò)光強(qiáng)值的波動(dòng)得到自相關(guān)函數(shù)，從而獲得衰減時(shí)間常量τ，進(jìn)而計(jì)算獲得粒子的擴(kuò)散速度D，代入Stokes-Einstein方程式，計(jì)算得到顆粒的半徑。Zeta電位檢測(cè)則基于多普勒電泳光散射原理，通過(guò)測(cè)量帶電顆粒在電場(chǎng)中的泳動(dòng)速度來(lái)推算其Zeta電位。粒徑測(cè)試條件為：溫度25℃，測(cè)試時(shí)間5分鐘；Zeta電位測(cè)試采用純水稀釋樣品，電場(chǎng)強(qiáng)度4V/cm。

圖2 DUKE 88nm標(biāo)準(zhǔn)粒子的粒徑測(cè)試結(jié)果（測(cè)試前驗(yàn)證粒徑準(zhǔn)確性）

表1動(dòng)態(tài)光散射（DLS）測(cè)試結(jié)果展示 （部分）

注：表1左側(cè)是重復(fù)測(cè)試3次的Gaussian分布下的疊加圖，樣品在Gaussian分布下的譜圖重復(fù)性高，數(shù)據(jù)重復(fù)性較好。右側(cè)為Time-History曲線圖，表征樣品在測(cè)試過(guò)程中的光強(qiáng)徑（紅色）、體積徑（深藍(lán)色）、和數(shù)量徑（淺藍(lán)色）的變化。表格右側(cè)3幅Time-History曲線圖中，Sample B的三條曲線趨近于平行，說(shuō)明在測(cè)試過(guò)程中，樣品中的顆粒數(shù)量和大小比較穩(wěn)定。

表2粒徑測(cè)試數(shù)據(jù)匯總表

注釋：Chi值（擬合優(yōu)度參數(shù)）是衡量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型之間誤差大小的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)，用于表征測(cè)試結(jié)果與真實(shí)情況的吻合程度。在顆粒檢測(cè)中，Chi值越接近1，表明測(cè)試數(shù)據(jù)的置信度越高、質(zhì)量越好，反之則提示樣品可能發(fā)生了沉降、團(tuán)聚或體系存在多分散性，需重新審視測(cè)試條件或樣品狀態(tài)。

PI值可用于表征樣品的分散體系，PI值＜0.1說(shuō)明樣品有較高的均一性，0.1＜PI值＜0.2說(shuō)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(qiáng)。對(duì)于聚氨酯納米改性研究而言，PI系數(shù)大于0.1預(yù)示著樣品中很可能存在多種粒徑組分（如未分散的納米團(tuán)聚體與基體乳液粒子共存）。這種粒徑分布的不均一性會(huì)對(duì)聚氨酯乳液性能帶來(lái)潛在威脅。粒徑及粒徑分布對(duì)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(nèi)部，膠膜吸水率越低。若體系中存在大顆粒或粒徑分布過(guò)寬，可能導(dǎo)致成膜過(guò)程中粒子堆積不緊密，形成微觀缺陷，進(jìn)而影響力學(xué)性能與耐水性。在本輪測(cè)試中，三個(gè)樣品的PI值均＞0.1，提示以上3個(gè)樣品可能是多分散體系。

Sample A、Sample B、Sample C的平均光強(qiáng)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(xiàn)出多峰或?qū)挿宸植继卣鳌?/p>

圖3 Entegris  zeta電位標(biāo)準(zhǔn)粒子（標(biāo)稱值46.5±10mV）驗(yàn)證電位準(zhǔn)確性

表3 樣品Zeta電位測(cè)試結(jié)果匯總

注釋：ZETA電位可表征顆粒間相互靠近時(shí)的靜電排斥力，通常來(lái)說(shuō)，Zeta電位值絕對(duì)值越高,顆粒的分散體系越穩(wěn)定。在本輪實(shí)驗(yàn)中，Sample B的ZETA電位絕對(duì)值最大，穩(wěn)定性最好。

圖4 Sample B的 Zeta電位測(cè)試結(jié)果圖

注：結(jié)合圖2 趨勢(shì)分布圖和表3的Zeta電位數(shù)據(jù)分析，Sample B的分散體系相對(duì)Sample A及Sample C而言穩(wěn)定。綜合表2的粒徑測(cè)試數(shù)據(jù)，我們不難得出Sample B的顆粒粒徑分布及穩(wěn)定性的結(jié)論，這對(duì)應(yīng)著更優(yōu)的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和成膜致密性。

Nicomp多峰模式分析，這是一種先進(jìn)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(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)反演過(guò)程，直接從原始相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)中解析出體系內(nèi)所有可能的粒徑組分分布。這使得它在面對(duì)多分散體系時(shí)，能夠突破傳統(tǒng)算法的局限，將不同粒徑的組分清晰地分離開(kāi)來(lái)。

Nicomp多峰算法可以有效區(qū)分不同粒徑（粒徑1:2區(qū)分度），為復(fù)雜體系和多組分體系提供了強(qiáng)有力的生產(chǎn)工具。這對(duì)于監(jiān)測(cè)納米改性乳液中無(wú)機(jī)粒子是否發(fā)生團(tuán)聚、是否均勻分散至關(guān)重要。即便體系中存在微量團(tuán)聚體，儀器也能將其與主峰分離，實(shí)現(xiàn)定量分析，避免了傳統(tǒng)高斯算法因“平均化"處理而掩蓋真實(shí)組分信息的弊端，從而為質(zhì)量控制提供了更真實(shí)、更精準(zhǔn)的依據(jù)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)粒子溶液后進(jìn)行測(cè)試。

圖5 DUKE 40nm標(biāo)準(zhǔn)粒子的3次粒徑測(cè)試結(jié)果疊加圖

圖6 添加了DUKE 40nm標(biāo)準(zhǔn)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(duì)比，可以看出Nicomp模式成功識(shí)別出添加的40nm標(biāo)準(zhǔn)粒子，并能準(zhǔn)確給出其粒徑分布。這證明了Nicomp Z3000搭載的Nicomp®多峰算法，相對(duì)于傳統(tǒng)的高斯算法，能夠有效區(qū)分不同粒徑組分，無(wú)需單獨(dú)測(cè)試。

上述測(cè)試不僅精準(zhǔn)揭示了樣品間的微觀差異，驗(yàn)證了高精度表征在質(zhì)量控制中的必要性，更折射出行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。在精準(zhǔn)把控粒徑與電位基礎(chǔ)指標(biāo)之上，隨著聚氨酯材料向高性能化、功能化進(jìn)階，行業(yè)目光正逐步聚焦于更具潛力的納米復(fù)合改性領(lǐng)域。

當(dāng)前，納米顆粒在聚氨酯乳液中的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)，例如，納米SiO?因其高比表面積和優(yōu)異的分散性，能夠有效增強(qiáng)聚氨酯乳液的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性；同時(shí)，其表面豐富的羥基官能團(tuán)為與聚氨酯基體形成氫鍵提供了可能，從而進(jìn)一步提升了復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)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(lǐng)域表現(xiàn)出色，尤其是在提高耐候性和抗老化性能方面表現(xiàn)突出^[6]。此外，碳納米管和石墨烯因其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的導(dǎo)電性，被廣泛應(yīng)用于功能性聚氨酯乳液的開(kāi)發(fā)中，例如在電磁屏蔽材料和柔性電子器件中的應(yīng)用[4]。不同種類的納米顆粒通過(guò)其物理化學(xué)性質(zhì)，為聚氨酯乳液賦予了多樣化的功能特性，同時(shí)也為復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)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(yīng)用盡管展現(xiàn)了顯著的性能提升效果，但其團(tuán)聚問(wèn)題仍然是當(dāng)前研究中的一大挑戰(zhàn)。由于納米顆粒具有高比表面積和強(qiáng)表面能^[2]，其在聚氨酯乳液中容易發(fā)生聚集現(xiàn)象，從而導(dǎo)致分散性下降并影響材料的整體性能 。團(tuán)聚不僅會(huì)降低納米顆粒與基體之間的界面相互作用，還可能導(dǎo)致材料內(nèi)部應(yīng)力集中，進(jìn)而引發(fā)力學(xué)性能的惡化 。此外，團(tuán)聚現(xiàn)象還會(huì)對(duì)乳液的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，尤其是在長(zhǎng)期儲(chǔ)存過(guò)程中，可能出現(xiàn)分層或沉淀等問(wèn)題 ^[4]。因此，精準(zhǔn)表征團(tuán)聚狀態(tài)成為監(jiān)測(cè)納米改性乳液質(zhì)量的關(guān)鍵。

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

• 復(fù)雜體系解析能力：通過(guò)Nicomp®多峰分布算法，能夠有效區(qū)分復(fù)雜體系和多組分體系中的不同粒徑，測(cè)量精度誤差≤±3%，對(duì)監(jiān)測(cè)納米改性乳液中無(wú)機(jī)粒子的分散狀態(tài)至關(guān)重要。

• 高效的測(cè)試流程：可搭載自動(dòng)進(jìn)樣模塊和自動(dòng)稀釋模塊提高檢測(cè)效率，減少了人為操作帶來(lái)的誤差。

•  廣泛的適應(yīng)性：配備高強(qiáng)度激光光源和高靈敏度探測(cè)器，適應(yīng)不同濃度和粒徑大小的分散體系，無(wú)需繁瑣稀釋過(guò)程即可獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

• 環(huán)境模擬功能：樣品池控溫系統(tǒng)（0℃～90℃，±0.1℃）允許研究人員模擬不同的儲(chǔ)存溫度，評(píng)估聚氨酯乳液的穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性。

• 配方優(yōu)化支持：Time History分析功能可實(shí)時(shí)監(jiān)控粒徑變化，幫助研究人員對(duì)比不同納米粒子測(cè)試時(shí)的光強(qiáng)徑、體積徑和數(shù)量徑分布情況，便于驗(yàn)證是否多分散體系，及優(yōu)化配方設(shè)計(jì)。

• 靈活的數(shù)據(jù)處理：支持測(cè)試后重新計(jì)算功能，即使忘記設(shè)置溶劑參數(shù)，也可以在測(cè)試完成后進(jìn)行調(diào)整，無(wú)需重新測(cè)試，極大提升了實(shí)驗(yàn)效率。

• 全面的穩(wěn)定性評(píng)估：Zeta電位檢測(cè)采用鈀電極裝置，結(jié)合PALS相位分析技術(shù)，在水相和有機(jī)相中均能穩(wěn)定檢測(cè)電位，為評(píng)估納米復(fù)合乳液的長(zhǎng)期儲(chǔ)存穩(wěn)定性提供了有力保障。

基于對(duì)三批次聚氨酯乳液的測(cè)試分析，數(shù)據(jù)表明樣品均為多分散體系（PI>0.1）。其中，Sample B展現(xiàn)出優(yōu)的綜合指標(biāo)：平均粒徑最?。?49.37nm），且Zeta電位絕對(duì)值最高（-59.07mV），這從理論上預(yù)示其具有更佳的儲(chǔ)存穩(wěn)定性與成膜潛力。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了數(shù)據(jù)的可靠性：Nicomp的多峰分布算法成功從復(fù)雜背景中識(shí)別出添加的微量40nm標(biāo)準(zhǔn)粒子，凸顯了其在解析多分散體系上的高分辨率與準(zhǔn)確性。

當(dāng)前，聚氨酯乳液的研究正朝著高性能化、功能化方向發(fā)展，納米改性（如引入SiO?、TiO?）是提升其力學(xué)、熱學(xué)性能的關(guān)鍵途徑。然而，納米顆粒極易因高表面能而發(fā)生團(tuán)聚，此過(guò)程難以把控，成為研發(fā)與質(zhì)控中的核心痛點(diǎn)。Nicomp Z3000的突出價(jià)值正在于此：Nicomp多峰算法能夠精準(zhǔn)識(shí)別和量化體系中不同尺度的顆粒（包括團(tuán)聚體），為客觀評(píng)估分散效果、優(yōu)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(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)。

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