陶瓷浆料的广泛表征是陶瓷工业中最重要的任务和挑战之一。这对研究和开发以及质量控制等领域非常重要。陶瓷浆料的粒度分布和zeta电位在浆料表征和性能优化中至关重要。颗粒的尺寸与非均质性密切相关，这又与干燥、热解和烧结过程中的断裂源及变形/开裂有关。此外，浆料颗粒的ζ电位可作为优化化学剂量的工具，以获得所需的胶体稳定性和粒度分布。
传统的粒度和量通常涉及光散射或沉降技术，因此需要极大地稀释陶瓷浆料以及其他“样品制备”步骤。根据所采用的测量技术，该样品制备可能包括添加表面活性剂，超声处理和搅拌。
尽管以这种方式制备样品能产生可重复的数据，但其结果在理解原始陶瓷浆料的复杂性上却可能毫无意义。样品制备不可避免地改变了样品的粒度分布和ζ电位，恰恰扭曲了所寻求的信息。直接表征浓稠的原样则能切实地判断浆料的真正聚集状态，并原位优化各种化学添加剂的剂量。相反由于样品制备步骤可能已经破坏了关于原始浆料的大部分有用信息，传统方法测量稀释样品通常仅给出原材料的初始大小。
超声波能穿透光学上不透明的样品，这开辟了许多新的应用。现已具备了两种互补的超声技术，能实现无样品制备/稀释的便捷测量：用于粒度测量的声谱和用于测量浆料ζ电位的电声谱。两种方法均利用了声音与分散颗粒相互作用所提供的信息，只是驱动力和测量参数有所不同。
试验仪器（该仪器适用于任何原浓溶液）
使用由Dispersion Technology Inc.开发的组合声谱和电声谱仪DT-1200。DT-1200是声谱仪DT-100和电声谱仪DT-300的组合，配备测量声学和电声信号的独立传感器。两种传感器都使用脉冲技术。DT-1200的发射和接收传感器之间的间隙通过步进电机进行计算机控制，在0.15mm到20mm的范围内可变。输出传感器的信号电平是在一组离散的频率和间隙下测量的。所得衰减谱由DT软件计算粒度分布，范围0.005μm至1000μm。声学传感器还测量一个选定频率下的声速。
测量ζ电位使用了DT-1200的电声传感器设计，其天线置于换能器上。这种ζ电位探头常灵活，可以在外部实验中在线或对小样本测量ζ电位。
只需几分钟，这两种方法都能提供几个百分点的准确度和精密度。所需样品的总体积约为100ml， 5ml样品即可测量ζ电位。DT-1200的自动滴定装置用于调节pH或分散剂剂量，观察团聚的变化；陶瓷制造商也能以最小的化学成本优化性能，在最佳条件下运行流程。
该技术的一个非常独特的特征是能够确定混合系统（例如氧化铝/氧化锆浆料）中各个组分的单独粒度分布。
陶瓷应用
从陶瓷制造过程的最初阶段到最后阶段，声谱和电声谱均可用于陶瓷工业和研究。典型的应用有：
• 原材料质量控制，
• 磨削过程的控制和操作，
• 以最低化学成本优化陶瓷浆料的稳定性和性能，
• 在最佳条件下运行流程，
• 表征非水性浆料，例如用于电泳沉积工艺，
• 寻找陶瓷废水处理中絮凝剂用量的最佳值。
应用举例
对于某些应用，识别最终浆料中的粒度子群很重要。这种双峰分布可能是分散剂剂量欠佳造成的初级颗粒聚集，也可能是有意添加另一种粒径成分引起的。另一些陶瓷应用中，陶瓷浆料的确是两种或以上固体组分的混合物。传统的光学或沉降技术通常假设所有颗粒都具有一组共同的物理性质，不能提供对这种混合物的正确描述。现在声学方法能够解决这类应用。用于声谱的市售软件已经发展到可以指定至少两类分散颗粒的程度。此外陶瓷制造的最新发展如电泳沉积需要表征高浓度非水浆料。见下图。
用于电泳沉积的10％氧化铝在甲基乙基酮（MEK）中的粒度分布
浆料的粒度分布不简单是各种组分的初级粒度的函数，而且还是系统层面上许多复杂的化学和机械操作的结果——这一点常被忽视。系统的ζ电位是可用于研究这种复杂关系的一个参数。
ζ电位变为零的pH被称为等电点pH。不同的材料可能具有完全不同的等电点（见下图）。
浆料等电点表明达到稳定的最佳pH值。如果zeta电位的绝对值小于10-30mV，通常会出现稳定性差的情况。氧化铝浆料的滴定曲线表明应避开pH 9-10的范围，而二氧化钛曲线表明应避开pH 3-4的范围。
如果想得到良好的稳定性，就要偏离等电点足够远，以达到ζ电位超过±(20~30)mV。用声谱即可轻松地理解ζ电位和粒度分布之间的复杂关系（见下图）。
A和B 浆料的粒度分布取决于化学环境。pH4的氧化铝浆料具有+40mV的ζ电位，得到与原料的初级尺寸相对应的单峰分布。双峰分布是由pH9的不稳定氧化铝浆料聚集得到的，其ζ电位仅为+5mV。
通过添加木质素磺酸盐（塑化剂）等化学物质，也可以达到足够远离等电点的ζ电位。这些化学物质的最佳剂量可以通过ζ电位来确定 ！现实中有些情况甚至更加复杂。粒径和ζ电位不仅是系统最终化学状态的函数，还可能取决于系统达到这种状态的历史。换句话说，样本的完整历史可能很重要（如下图）。
浆料稳定性不仅取决于化学状态，还取决于如何达到这种状态。将生产氮化硅浆料的实验室滴定至低pH表明在pH 7-8下具有高zeta电位和良好稳定性。然而，工艺工程师发现这种pH值不能提供良好的操作性能。实际过程包括浆液的酸洗。随后向碱性条件的反滴定显示出等电点的显着变化，这需要改变工厂操作条件。对等电点这种转变的解释非常有趣。初始浆料具有非常小的污染水平，就整体zeta电位和系统稳定性而言，这是微不足道的。但是，在酸性条件下，这种微量成分溶解。在随后改变为更碱性条件时，该溶解的材料然后在大部分氮化硅表面的表面上再沉淀。 这个次要成分含量看似微小，却最终主导了氮化硅材料的表面化学。通过认识到最终状态取决于样本的历史，可以改变工艺以适应这种变化。
但是，在等电点附近使用不稳定浆料也会受到重视，这在过滤或絮凝的情况下变得重要。在许多陶瓷工厂中，循环利用工艺用水变得越来越重要。废水处理通常通过絮凝进行。如果回收工艺用水，絮凝剂的最佳剂量至关重要。如果絮凝剂的量太少，则颗粒将保留在水中；另一方面过量加入会导致工艺用水中残留絮凝剂，给生产工艺带来灾难性的影响。絮凝剂的最佳剂量由等电点给出，因此可以通过ζ电位测量（如下图）
测定陶瓷废水处理的絮凝剂最优剂量。本例是用Stockhausen的“Prestol”滴定一10%(w/w)黏土浆液。使用自动滴定装置。1L浆液加入2mL絮凝剂达到等电点(IEP)。因电声法在陶瓷废水的典型高颗粒浓度下表现出色，IEP处观察到最佳絮凝。故测量ζ电位可在线控制絮凝。
总之，声谱和电声谱提供了一种独特的工具，表征像陶瓷生产和研究中遇到的那种浓稠浆料。这种方法不仅提供了陶瓷浆料最终聚集状态的表征手段，更重要的是给出了理解、优化和控制这一状态的工具。随着用户意识到测量最终浓稠产品以补充稀释样品数据的好处，这些技术无疑会变得越来越重要。
延伸阅读：
1. Dukhin, A. S., Goetz, P. J.: Ultrasound for Characterizing Colloids – Particle Sizing, Zeta Potential, Rheology , Amsterdam 2002, Elsevier
2. www.dispersion.com
3. S. Mende, J. Schwedes, F. Stenger, W. Peukert: Mechanical production and stabilisation of submicron particles in stirred media mills, 10 th Europ.
Symp. Comminution, Heidelberg, Germany, September 2002, Proc.
4. Stenger F., Peukert W.: Nanomilling – The influence of suspension stability, Proc. World Congress on Particle Technology 4, Sydney, Australia, July 2002
