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即時表面電位分析儀

 

 

PA Field ESA

即時表面電位分析儀

不管濃度高低與粒徑大小,均能直接而即時地量測表面電位能。膠體、泥膏、半固體、乳劑,均不需稀釋。在無侵入無破壞的條件下,透過攪拌或流動方式維持樣品穩定的分散狀態,進行量測。

PA Field ESA 利用交流電驅動分散體中的帶電微粒,透過產生的振盪來量測動電音波振幅 (ESA, Electrokinetic Sonic Amplitude),藉此導出精確的表面電位。此法不受攪拌、流動、噪音、震動干擾,也不受高濃度、混濁、顏色之影響。可應用範圍廣,條件限制小,並可對製程做定時檢測、或程式化進行自動滴定與添加。

傳統電泳 (Electrophoresis) 或雷射技術 (Dynamic Light Scattering),受限於樣品運動所造成的折射率變化,則無法應用於上述條件。

輕巧便攜的 PA Field ESA 能

  1. 即時量測 Zeta potential 並同步記錄導電性、溫度與酸鹹值;
  2. 設定時間序列或是設定逐步目標, 自動量測;
  3. 與 PA Fluid Station 整合,自動判定等電位點(iso-electric point)、設定pH滴定與添加最佳化之自動程序;
  4. 透過 PA Fast Sizer 同步取得量測 Zeta Potential 所需之粒徑資料,透過 Rhometer 同步取得即時的濃度/密度資訊,進行完整的製程監測。

 


動電音波振幅技術
介達電位能分析

  • 直接即時量測
  • 應用濃度與粒徑範圍廣
  • 應用領域廣- 小量、流穿、批次、研發、品管
  • 可程式化程序自動執行IEP、滴定、添加
  • 非侵入、非破壞、不受振動與雜質影響
  • 以攪拌或流動避免沉積或團聚
  • 模組化、整合性解決方案
  • 可客製化、可與使用者製程整合
  • 有教育用Kit可做基礎化學實驗



德國 Partikel Analytik (PA) 由專精於分散體系分析技術與材料科學研究的團隊組成,所研發的專利技術與客製化解決方案,已經被十幾個國家的學界與業界所採用。

前往 Partikel Analytik 網頁

 

應用領域

學術研究:

  • 物理、化學、物理化學
  • 食品與藥品科學
  • 材料科學
  • 環境、土木、機械、陶瓷工程

產業研發與品管:

  • 黏著
  • 吸附製程
  • 觸媒
  • 陶瓷
  • 色譜分析
  • 乳液聚合
  • 食品加工
  • 熱加換機結垢
  • 研磨
  • 離子交換
  • 潤滑
  • 薄膜現象
  • 石油回收
  • 油井鑽井液
  • 礦石浮選
  • 粉末冶金
  • 沉澱析出
  • 分離程序
  • 土質改善
  • 膠體傳輸
  • 廢水處理

教育實驗:

  • 基礎與進階物理化學實驗(教育用Kit)

表面電位用途

  • 開發可移除像是細菌的帶電物質的濾紙或是薄膜
  • 控制微流體渠道之流量
  • 調整表面的黏著性與摩擦係數
  • 隱形鏡片或是生物植入物之相容性改善
  • 改善表面之光學、電子、機械、防銹特性
  • 表面結合帶電聚合物等等…
 

 


表面電位有什麼重要性?

浸在液體裡的表面被離子環繞,因此像散佈的顆粒或是分子一樣,具有表面電位能。表面的有效電荷會吸引或是排斥液體中的其他顆粒。如果顆粒間沒有足夠的排斥力,經由凡得瓦力的吸引,每秒鐘會相互碰撞好幾百萬次,最終,懸浮體將形成一大團聚集。這種團聚或是分散的狀態,往往決定了膠體的功效。能控制表面電位,對控制分散體是件重要的事。

現代化學配方的成份日趨複雜,採用需要反覆稀釋的傳統試誤法,成效愈來愈低,成本愈來愈高。對於試驗多種不同配方,有其困難度。能即時掌握表面電位,即能即時評估並改善配方。

PA 的 ESA 技術利用交流電來使得懸浮顆粒往覆運動,並藉此量測振動所產生的動電音波振幅 (ESA),進而導出表面電位。此法不具破壞性或侵入性,不受攪拌、噪音、震動等影響,即便在製程中,亦能直接而即時的量測膠體的表面電位。


 

濃度序列量測

透過程序設定,每添加 0.01 ml,PA Field ESA 便自動進行表面電位量測,並同時監控 pH、導電性與溫度變化。從圖中可以發現,添加了 0.16 ml 後,介達電位達到峰值,導電性也同時達到峰值。在整個添加過程中,溫度與酸鹼值維持穩定。


Concentration Series Measurement.


 

等電位點有什麼重要性?

當上述表面電位為零時,稱為等電位點 (isoelectric point)。此一特性對很多應用都很重要。例如,已知各種純氧化物之等電位點,便能經由實際等電位點的量測,判斷表面的乾淨程度或是鍍膜的品質。


Potentiometric Titration.

對3個氧化鋁 (Al2O3)分散體進行自動 pH 滴定,取得 Zeta-pH 曲線如上圖。 此曲線說明了樣品的穩定性與等電位點。高斜率的一號樣品展現了優異的穩定性,很容易就能達到 80 mV 以上的表面電位。平坦的三號樣品則表示了容易聚集的特性,不論是強酸強鹼,它的表面電位都無法超過 20 mV。這對製程控制很重要。


 

其他應用實例

監測微粒合成過程

以下為Ostwald熟成與成核過程在 R&D 階段的應用,追蹤氧化鋁先驅奈米顆粒的結晶成長。在異丙醇裡對仲丁氧基铝進行水解時,同步記錄了表面電位與相對應的粒徑大小。介達電位隨著增加的水量達到最小值與最大值;粒徑則在經過一定的時間後顯著增加。


Monitoring Particle Synthesis

 


教育用實驗套件

教學目的:瞭解膠體化學之原理與分散體之實際應用。

實驗設計:研究稀釋的分散體特性、稀釋與高濃度分散體的粒子與粒子間的交互作用,強調表面電位量測的重要性。針對稀釋分散體,使用光源與偏光器做光學檢測,瞭解偏光與散射特性,同時觀察布朗運動。針對高濃度分散體,使用聲波原理進行檢測。此套件同時也包含臨界凝聚濃度、電空間穩定機制、非牛頓流體(如流凝性)等教材。

套件內容:主要包含基於電泳技術與聲波技術的簡易介達電位量測工具各一套,也包含上述所需之其他工具與材料。基礎實驗版本偏向定性分析,進階實驗版本則提供定量分析。


 


配置多樣化

上面為常見的配置方式之一,除了單機可獨立進行單點與時間序列量測,整套配備可建立條件程序,進行自動化的等電位線、pH滴定與添加滴定。設備由左至右分別為 (1) 可攜式 PA Field ESA, (2) 攪拌器控制器, (3) 量測槽、攪拌器、與各種探測器, (4) 滴定用之PA Fluid Station 和 (5) 電腦與軟體介面。

其他的配置方式有:(i) 流穿式或線上應用;(ii) 非水性系統:尤其是低訊號系統,像是有機油類或是其他非極性溶劑; (iii) 現場檢測:搭配電池組;(iv) 因應其他客戶需求之配置。

 


 

整合系統與客製化

PA Field ESA 能與 Fast Sizer, PA Fluid Station, PA Rhometer 無縫整合,構成一套Dispersion Analysis 整合系統。可量測表面電位、等電位曲線量測、pH滴定、添加滴定等,並透過可程式化程序進行自動控制。整合系統所需要的參數,均透過每台機器上的 Smart Sensor 自動傳遞。例如量測表面電位所需的粒徑資訊,會同步由 PA Fast Sizer 量測並自動傳遞給 PA Field ESA。不需要手動輸入,也無需透過電腦完成。

PA Dispersion Analysis Integration
分散體分析整合方案


PA 能為使用者量身打造最適的解決方案,不論是實驗室還是產線整合,不論是研發還是教育,PA 的 STEM 工作團隊均秉持著 Science, Technology, Engineering and Mathematics 的精神,配合使用者現有的軟硬體條件,解決使用者的問題。

 

 
 

Specifications:

Measuring Capabilities
  Zeta Potential -300 ~ +300 mV
  ESA 0 ~ 30 mPa*m/V
  Frequency 200 kHz ~ 1.5 MHz
  pH 2 ~ 14
  Conductivity 0 μS/m ~ 5 S/m
  Temperature 5 ~ 60 °C (Optional High Temperature Probe: 5 ~ 90 °C)
  Data Acquisition Time
      Standard:
      Multiple Frequency:
      Kinetic option
      Autonomous mode:


 7 s
60 s
 4 s
10 s

  Particle Size Evaluation 100 nm ~ 2 μm (Standalone feature, multiple frequencies)
  * Depends on the nature of the material and the density difference between the particles and solvent.
 
Sample Requirements
  Particle Concentration* Min: 0.001 % v/v
Max: 74 % v/v (monodispersed)
        ~ 99 % v/v (polydispersed)
  Particle Size* 1 nm ~ 100 μm
  Volume > 1 ml
  Density Difference > 0.2 g/cm3 (between the particles and the solvent)
  Sample Type Dispersions, emulsions, pastes, semisolids
  Solvent Aqueous and non-aqueous solvents
  * Depends on the nature of the material and the density difference between the particles and solvent.
 
Measurement Modes
  Single Measurement Quick overview of sample characteristics.
  Time Series

Multiple measurements at a predefined time interval.

  Potentiometric Titration PA Fluid Station required.
Automatic measurement and titration step by step until all goals are accomplished.
  Additive Titration

PA Fluid Station required.
Automatic measurement and titration step by step until all goals are accomplished.

  Stopped-Flow Reaction

PA Fluid Station & Kinetic Option required.
Mix up 4 constituents and run the fastest time series measurement.

  Autonomous Mode

Battery Pack & Dip-in Sensor required.
Working time: 2-day continuous operation. Data Size: 22,000 sets.

   
 
Sample Cells & Applicable Features
  Micro Cell : 1 ml Steel

Zeta Potential, ESA, Batch, Flow-through

  Small Cell : 5 ml Polymer/Steel Zeta Potential, Flow-through
  Standard Cell : 50/70 ml POM/Steel Zeta Potential, ESA, Temperature & Conductivity (integrated sensor)
pH, IEP, Additive Titration. Batch and Flow-through
  Large Cell : 250 ml Teflon/POM Zeta Potential, ESA, Temperature & Conductivity (external sensor)
pH, IEP, Additive Titration. Batch
  User Defined Upon Request
 

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