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Introduction
나노 사이즈 SiO₂ (Silicon Dioxide) 는 매우 다양한 목적으로 널리 사용되고 있습니다.
반도체 표면을 연마할 때 연마재로 사용될 수 있으며, 우수한 표면 성능 덕분에 코팅 재료로도 사용됩니다.
고무, 플라스틱, 철강, 태양 에너지 분야에 널리 적용되어 Reinforcement (보강), Shear Resistance (전단 저항성), Thixotropy 등을 향상시킵니다.
1968년 Stober 는 다양한 비율의 암모니아와 에탄올 용액에 분산된 Tetramethylsilane 혼합물을 교반하여, 입자 크기가 단분산에 가까운
Nano-Silica Spheres 를 실온에서 얻을 수 있음을 발견했습니다. 나노 실리카는 사용 시 액체에 분산되는 경우가 많습니다.
따라서 시스템의 안정성을 이해하고 제품의 품질을 향상시키기 위해서는 제타 전위 측정이 필수적입니다.
이 Application Note 에서는 Bettersize 사의 BeNano 180 Zeta Nanoparticle Size and Zeta Potential Analyzer 를 사용하여 Aqueous Environment 에 분산된
다른 배치의 나노 실리카의 제타 전위를 측정합니다.
Theory and Instrumentation
BeNano 180 Zeta (Bettersize Instruments Ltd.) 는 파장이 671 nm 이고 출력이 50 mW 인 고체 레이저를 광원으로 장착하고 있습니다.
샘플에 전기장을 적용하여 하전된 입자들이 전기영동에 의해 이동하게 됩니다. 레이저가 샘플을 조사하면, 입자의 전기영동 운동으로 인해 산란된 빛의 주파수가
원래 주파수에서 변하게 됩니다. 이때 12° 각도로 산란된 빛 신호를 수집하기 위해 APD Photo Detector 가 사용됩니다.
BeNano 180 Zeta 는 Phase Analysis Light Scattering (PALS) 기술을 사용하여 전기영동 이동도가 낮은 샘플에서도 제타 전위를 감지할 수 있는 특성을 가지고 있습니다.
Experiment
네 가지 Nano Silica Slurry Sample 의 제타 전위는 원래 농도 ((solid content of 10%) 와 물에 30배 희석된 상태에서 측정되었습니다.
각 샘플은 결과의 재현성을 보장하고 표준 편차를 얻기 위해 최소 세 번씩 측정되었습니다.
Results and Discussion
PALS 기술을 통해 네 가지 Nano Silica Suspension 의 제타 전위값을 구하였습니다.
그림 1-4는 각각의 측정에 대한 위상도를 보여주며, 그 기울기는 전기영동에 의해 발생한 주파수 변화를 나타냅니다.
그림에서 볼 수 있듯이, 각 위상도는 명확한 기울기를 가지며 양호한 신호 대 잡음비를 보여줍니다.
Figure 1. The phase plot and zeta potential trend of sample 1# with original concentration (left) and diluted by 30 times (right)
Figure 2. The phase plot and zeta potential trend of sample 2# with original concentration (left) and diluted by 30 times (right)
Figure 3.The phase plot and zeta potential trend of sample 3# with original concentration (left) and diluted by 30 times (right)
Figure 4. The phase plot and zeta potential trend of sample 4# with original concentration (left) and diluted by 30 times (right)
위 결과에서 보는 바와 같이, 제타 전위는 음수를 나타내며, 입자 표면에 음전하가 있음을 보여줍니다. 일관된 제타 전위 경향과 비교적 작은 표준 편차는 우수한 결과 재현성을 보여줍니다.
Table 1. The zeta potential results of silica samples
모든 샘플의 제타 전위가 높은 값 (30 mV 이상) 으로 나타나므로 샘플들은 응집이 될 가능성이 낮습니다.
각 결과를 비교해 보면, 샘플 1# 과 샘플 2# 가 가장 높은 제타 전위를 가지고 있으며, 그 다음으로 샘플 3#, 가장 낮은 제타 전위를 가진 샘플은 4# 임을 알 수 있습니다.
따라서 샘플 1# 과 2# 가 네 가지 실리카 현탁액 중 가장 안정적일 가능성이 큽니다.
또한, 30 배 희석 후 샘플 2# 와 3# 의 제타 전위 절대값이 훨씬 커졌으며, 이는 원액보다 더 나은 안정성을 나타냅니다.
Conclusion
고농도의 네 가지 나노 실리카 현탁액과 순수한 물로 30배 희석한 현탁액의 제타 전위 측정은 BeNano 180 Zeta 를 사용하여 성공적으로 수행되었습니다.
우수한 결과 재현성을 보여주었으며, 가장 중요한 것은 서로 다른 배치나 제형 간의 분산안정성 비교를 가능하게 하여 제품 품질을 정량적으로 제어하고 모니터링할 수 있게 해준다는 점입니다.
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