NS-90Z Plus纳米电位仪表征钛酸钡粉体在非水性体系中的Zeta电位
时间：2023-11-20 阅读：675
前言
OMEC
在半导体领域，MLCC(Multilayer Ceramic Capacitor，多层片式陶瓷电容器)作为一种**电子元器件，在陶瓷电容器中产值占比超过90%，应用领域极其宽泛。纳米钛酸钡粉体正是制备MLCC的核心原材料。
钛酸钡作为电介质材料，具备出色的介电性能，具有高介电常数、低介质损耗和良好的可调性。通过引入微量的改性化合物，我们能够广泛调整材料的介电常数和居里温度。MLCC产品制备前期，需要将钛酸钡粉体、有机溶剂、粘合剂等物料按一定比例混合，通过高速研磨机进行分散，形成陶瓷浆料。在合适的瓷浆配方的基础上，稳定、均质的陶瓷浆料对于制造性能优良的MLCC制品具有重要的意义。
本文使用电泳光散射技术表征了非水相分散体系中纳米钛酸钡的Zeta电位，探讨了不同改性工艺的钛酸钡粉体对于MLCC产品制备前期陶瓷浆料的稳定性的影响。
仪器
OMEC
所有实验均采用珠海欧美克仪器的NS-90Z Plus纳米粒度及电位分析仪，NS-90Z Plus纳米粒度电位仪同时具有Zeta电位、纳米粒径及分子量的分析测试功能，适用于多种不同的纳米乳液、悬浮液、聚合物、生物颗粒等的尺寸和表面电位测量，能广泛应用于精细化工行业纳米材料、表活、低聚物等的开发和生产质控，同时也是油墨、医药制剂等行业产品开发及质控的通用测试仪器。
▲ 欧美克NS-90Z Plus 纳米粒度电位仪
（点击图片查看仪器详情）
概念及原理
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Zeta电位
分散在分散液中的颗粒表面携带的净电荷影响颗粒界面周围区域的离子分布，导致表面抗衡离子（与颗粒电荷相反的离子）浓度增加。于是，每个颗粒周围均存在双电层。分别是内层的严密层和外层的滑移层。滑移层以内，所有的离子、介质随着颗粒一起运动。这个边界称为流体力学剪切层或滑动面（slipping plane）。在这个边界上存在的电位即称为Zeta电位。Zeta电位是表征胶体分散系稳定性的重要指标之一。
电泳光散射
带电颗粒在外加电场作用下发生定向移动，当光束照到颗粒上时，就会引起散射光的频移（即多普勒频移）。颗粒运动速度与光的频移幅度成正比，因此可以通过测量光的频移间接测量颗粒的电泳速度，再通过应用Henry方程求出Zeta电位。电泳光散射法是测量Zeta电位应用*广的方法。
样品制备
OMEC
分别将不同工艺的钛酸钡粉体以一定浓度分散在同一配方的非水性分散体系中，混合均匀，形成陶瓷浆料。
将新配置的钛酸钡浆料在室温下静置不同时间多次测量其Zeta电位，得到Zeta电位随时间的变化曲线。
结果和讨论
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▲ 图1 钛酸钡5#浆料对于放置时间的Zeta电位趋势图
图1展示了新配置5#浆料的Zeta电位随放置时间的变化曲线。可以看到Zeta电位均为正值，说明其携带正电。Zeta电位的幅值随着静置时间的延长有先增大后稳定的趋势。刚配制时Zeta电位为37.2mV，静置4h以后Zeta电位升高至40.5mV左右，趋于稳定。
▲ 图2 钛酸钡6#浆料对于放置时间的Zeta电位趋势图
由图2可见，6#浆料的Zeta电位也均为正值，说明其携带正电。Zeta电位的幅值随着静置时间的延长先减小后稳定。刚配制时Zeta电位均值为24.9mV，静置4h以后Zeta电位降低至18.5mV左右，并趋于稳定。
对于两个体系，都有新配置浆料的Zeta电位重现性不佳，但室温静置数小时后Zeta电位重现性变好的现象。以6#样品为例。
这是由于刚配置陶瓷浆料体系中钛酸钡颗粒的分散还没达到稳定，因此颗粒表面的电荷密度也未趋于稳定。随着静置时间的加长，颗粒分散程度及表面电荷密度都逐渐趋向稳定了。因此，在表征新配置浆料的Zeta电位时，建议做静置时间的滴定测量，取稳定后平台区的结果作为该体系的Zeta电位更可靠。
另外，较高的Zeta电位意味着颗粒间的排斥力大于吸引力，具有较低的团聚趋向，体系更稳定。从图1和图2可以看到，5#浆料的Zeta电位稳定于40.5mV，6#是18.5mV，5#浆料体系更稳定。
结论
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在MLCC的制造工艺中，瓷浆稳定性对于电容器有着极为重要的影响。本文通过NS-90Z Plus对纳米钛酸钡瓷浆稳定性进行了一系列的比对评价，指出了针对此类应用的可靠方法。
需要强调的是，影响体系稳定性的因素很多，比如颗粒大小、密度，体系中颗粒物的浓度，体系的配方，环境温度，外力影响等等；我们需要根据实际应用场景，系统全面地评估各项因素对于体系稳定性的影响，从而找到更好的工艺方案。
最后，希望在欧美克仪器相关分析仪器的助力下，我国电子陶瓷材料能够快速发展，民族电子工业早日实现腾飞。