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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電位絕對值，預(yù)示其穩(wěn)定性最佳。通過標(biāo)準(zhǔn)粒子添加實驗驗證，Nicomp Z3000儀器憑借其專有的多峰算法，成功識別出復(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?；蛘呶⑿‰s質(zhì)，不僅僅會影響材料的力學(xué)性能，還會導(dǎo)致其屏障性能下降，甚至損傷施工設(shè)備。Zeta電位絕對值越高，顆粒的分散體系越穩(wěn)定。因此，對粒徑分布及Zeta電位的精準(zhǔn)測量，對于評估聚氨酯乳液的產(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，無法真實反映體系內(nèi)各組分的分布情況，這為精準(zhǔn)表征帶來了挑戰(zhàn)。Nicomp Z3000納米粒度及電位分析儀采用動態(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。

圖1 Nicomp Z3000納米粒度與Zeta電位儀

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

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

表1動態(tài)光散射（DLS）測試結(jié)果展示 （部分）

注：表1左側(cè)是重復(fù)測試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，表征樣品在測試過程中的光強(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，說明在測試過程中，樣品中的顆粒數(shù)量和大小比較穩(wěn)定。

表2粒徑測試數(shù)據(jù)匯總表

注釋：Chi值（擬合優(yōu)度參數(shù)）是衡量實驗數(shù)據(jù)與理論模型之間誤差大小的統(tǒng)計學(xué)參數(shù)，用于表征測試結(jié)果與真實情況的吻合程度。在顆粒檢測中，Chi值越接近1，表明測試數(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說明樣品有較高的均一性，0.1＜PI值＜0.2說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對聚氨酯乳液性能帶來潛在威脅。粒徑及粒徑分布對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?；蛄椒植歼^寬，可能導(dǎo)致成膜過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。在本輪測試中，三個樣品的PI值均＞0.1，提示以上3個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）驗證電位準(zhǔn)確性

表3 樣品Zeta電位測試結(jié)果匯總

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

圖4 Sample B的 Zeta電位測試結(jié)果圖

注：結(jié)合圖2 趨勢分布圖和表3的Zeta電位數(shù)據(jù)分析，Sample B的分散體系相對Sample A及Sample C而言穩(wěn)定。綜合表2的粒徑測試數(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，這對應(yīng)著更優(yōu)的儲存穩(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），而是通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)反演過程，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。這使得它在面對多分散體系時，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來。

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。這對于監(jiān)測納米改性乳液中無機(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"處理而掩蓋真實組分信息的弊端，從而為質(zhì)量控制提供了更真實、更精準(zhǔn)的依據(jù)。

為了進(jìn)一步驗證儀器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)行測試。

圖5 DUKE 40nm標(biāo)準(zhǔn)粒子的3次粒徑測試結(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的對比，可以看出Nicomp模式成功識別出添加的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，相對于傳統(tǒng)的高斯算法，能夠有效區(qū)分不同粒徑組分，無需單獨(dú)測試。

上述測試不僅精準(zhǔn)揭示了樣品間的微觀差異，驗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。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，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，同時也為復(fù)合材料的設(shè)計與優(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)象還會對乳液的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，尤其是在長期儲存過程中，可能出現(xiàn)分層或沉淀等問題 ^[4]。因此，精準(zhǔn)表征團(tuán)聚狀態(tài)成為監(jiān)測納米改性乳液質(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，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，測量精度誤差≤±3%，對監(jiān)測納米改性乳液中無機(jī)粒子的分散狀態(tài)至關(guān)重要。

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

•  廣泛的適應(yīng)性：配備高強(qiáng)度激光光源和高靈敏度探測器，適應(yīng)不同濃度和粒徑大小的分散體系，無需繁瑣稀釋過程即可獲取準(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存溫度，評估聚氨酯乳液的穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性。

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

• 靈活的數(shù)據(jù)處理：支持測試后重新計算功能，即使忘記設(shè)置溶劑參數(shù)，也可以在測試完成后進(jìn)行調(diào)整，無需重新測試，極大提升了實驗效率。

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

基于對三批次聚氨酯乳液的測試分析，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)：平均粒徑最小（149.37nm），且Zeta電位絕對值最高（-59.07mV），這從理論上預(yù)示其具有更佳的儲存穩(wěn)定性與成膜潛力。驗證實驗進(jìn)一步證實了數(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的突出價值正在于此：Nicomp多峰算法能夠精準(zhǔn)識別和量化體系中不同尺度的顆粒（包括團(tuán)聚體），為客觀評估分散效果、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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