DE2458605C3

DE2458605C3 - Verfahren zur Messung der elektrophoretischen Wanderungsgeschwindigkeit dispergierter Teilchen

Info

Publication number: DE2458605C3
Application number: DE19742458605
Authority: DE
Inventors: Walter Ditter; Dieter Dipl.-Chem. Dr. Horn
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1974-12-11
Filing date: 1974-12-11
Publication date: 1980-01-10
Also published as: DE2458605B2; DE2458605A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der elektrophoretischen Wacderungsgeschwindigkeit dispergieren Teilchen in wäßrigem oder nichtwäßrigem Medium mittels eines monochromatischen Strahls, bei dem die Dispersion zwischen zwei Kondensatorplatten gefüllt wird.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 37 08 402 bekannt, jedoch lediglich für Einzilteilchenmessungen geeignet, d.h. es können nur stark verdünnte Dispersionen gemessen wenden. Dabei wird in bekannter Weise eine Korrelationsanalyse des durch Einzelteilchenstreuung impulsartigen Signals vorgenommen.

Es ist weiter bekannt, daß die elektrophoreeische Wanderung dispergierter Teilchen durch visuelle Beobachtung gemessen werden kann. Diese Verfahrensweise (Mikroelektrophorese) führt bei hochverdünnten Dispersionen mit mikroskopisch beobachtbaren Teilchen zum Erfolg. Sie hat jedoch den großen Nachteil, daß konzentrierte Dispersionen, wie sie in der Praxis nahezu ausschließlich verwendet werden und bei denen die Kenntnis des aus der elektrophoretischen Beweglichkeit bestimmbaren zeta-Potentials von großer Bedeutung ist, einer direkten Messung nicht zugänglich sind. Zudem bewegen sich häufig die Teilchengrößen der dispergieren Partikel in Bereichen weit unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes und sind daher visuell nicht beobachtbar. Diese Einschränkungen zur Anwendung mikroelektrophoretischer Meßmethoden treffen insbesondere für technisch wichtige Dispersionen, wie z. B. Kunststoffdispersionen, Lacke, Druckfarben und Tonerflüssigkeiten für die Reprographie zu.

Es ist weiter bekannt, daß die elektrophoretische Wanderung löslicher Kolloide durch Beobachtung der wandernden Grenzschicht, die durch besondere priparative Maßnahmen zwischen der kolloidalen Lösung und dem reinen Serum hergestellt wird, ermittelt werden kana Die Anwendung dieses Verfahrens zur Messung der elektrophoretischen Wanderung dispergierter Teilchen ist im allgemeinen sehr erschwert oder insbesondere bei Lacken, Druckfarben und Tonerflüssigkeiten unmöglich, da es einerseits generell schwierig ist, eine scharf definierte Grenzschicht herzustellen, und insbesondere unmöglich ist, in diesen Fällen bei den interessierenden Partikel-Volumen-Konzentrationen auf herkömmliche Weise die Wanderung der Grenzschicht zu beobachten.

Es ist weiter bekannt, daß die elktrophoretische Wanderung dispergierter Teilchen aus gravimetrisch bestimmten Werten des elektrophoretischen Massetransports bestimmt werden kann. Die Anwendung dieses Verfahrens erstreckt sich zwar auch auf Dispersionen mit hoher Pigment-Volumen-Konzentration jedoch ist der Anwendungsbereich ebenfalls stark begrenzt, da die Ausführung der gravimetrischen Messung erhebliche Dichteunterschiede zwischen Dispergiermedium und den darin dispergieren Teilchen zur Voraussetzung hat Diese Voraussetzung ist insbesondere bei nicht wäßrigen Dispersionen organischer Buntpigmente nicht erfüllt, so daß an solchen Systemen Messungen der genannten Art bisher nicht durchführbar sind. Die Messung der elektrophoretischen Wanderungsgeschwindigkeit ist jedoch bei soichen Systemen von großer technischer und wissenschaftlicher Bedeutung (Tonerflüssigkeiten, Lacke, Druckfarben).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der elektrophoretischen Wanderungsgeschwindigkeit dispergierter Teilchen zu finden, bei dem die dem geschilderten Stand der Technik entsprechenden, oben genannten erheblichen Ein-

jo schränkungen hinsichtlich Partikelgröße, Partikel-Volumen-Konzentration and Partikeldichte entfallen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wanderungsgeschwindigkeit der dispergierten Teilchen durch Messung der Interferenz des an mindestens einer lichtdurchlässigen Kondensatorplatte reflektierten monochromatischen Teilstrahls mit einem an der durch eine Gleich- oder Wechselspannung an die Kondensatorplatte wandernden Teilchenfront reflektierten kohärenten Teilstrahl bestimmt wird.

Gemäß einer weiteren Ausbildung άΐ3 erfindungsgemäßen Verfahrens wird der monochromatische Teilstrahl über ein optisch durchlässiges Prisma, eine Zylinderlinse oder eine Spiegelanordnung an die lichtdurchlässige Kondensatorplatte herangeführt. Dadurch wird es ermöglicht, die Meßanordnung auf einfache Weise optisch zu justieren. Der Erfindung liegt die Feststellung zugrunde, daß das optische Reflexionsvermögen einer durch elektrophoretische Wanderung erzeugten Grenzschicht dispergierter Teilchen oder

^r>o einer durch Diffusion, bei abgeschaltetem elektrischen Feld, voranschreitenden Front dispergierter Teilchen ausreicht, um im Sinne einer spiegelnden Reflexion einen zur Interferenz mit einem kohärenten Teilbündel befähigten Teilstrahl zu reflektieren.

Die zeitliche Änderung der Position der reflektierenden Grenzschicht kann dann durch die Messung der durch die stetige Änderung der Phasendifferenz der beiden kohärenten monochromatischen Lichtbündel durch Interferenz erzeugten periodischen Intensitäts-

Schwankungen bestimmt werden.

Durch Anwendung eines interferenzoptischen Meßprinzips bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Wanderungsgeschwindigkeit der Teilchen mit einer im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wesentlich höheren Genauigikeit bestimmt. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht insbesondere jedoch auch darin, daß hiermit Messungen an Systemen vorgenommen werden können, bei denen

Messungen nach herkömmlichen Verfahren bisher entweder unmöglich waren oder nur mit großen meßtechnischen Unsicherheiten durchführbar waren. Solche Systeme, bei denen Messungen der genannten Axt bei praxisQblichen Partikel-Volumen-Konzentrationen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erstmals mit großer Genauigkeit durchführbar sind, sind z. B. Druckfarben, Lacke und Tonerflüssigkeiten.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zum Bestimmen der Diffusionsgeschwindigkeit dispergierter Teilchen herangezogen werden, wenn entweder pulsierender Gleich- oder Wechselstrom verwendet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert Sie zeigt einen Querschnitt durch eine Meßzelle parallel zur Einfallsebene des Meßlichtes.

Die Meßanordnung rar Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem als Meßzelle ausgebildeten Kondensator, der aus den Elektroden 1, 2 und einem Abstandshalter 3 aus nichtleitendem Material aufgebaut ist Eine der beiden Elektroden 2 ist lichtdurchlässig und besteht in Abstimmung auf den Wellenlängenbereich des Meßlichtes entweder aus Silizium, Germanium oder leitfähig beschichtetem Glas oder Quarz. Die leitfähige Elektrode 2 ist mit der Basisfläche eines Prismas 4 aus lichtdurchlässigem Material verbunden. Anstelle des Prismas 4 können auch anders geformte Körper, z. B. Zylinderlinsen oder Spiegelanordnungen, treten, soweit sie für die jeweils gewählte Meßanordnung Vorteile für die optische Strahlenführung bringen. Das Prisma 4 oder anders geformte Kontaktkörper oder Spiegelanordnungen können auch ganz entfallen. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden 1, 2 beträgt vorzugsweise 0,5 mm bis 5,0 mm. Die Elektroden 1, 2 und der Isolator 3 bilden den Zellenraum, der über verschließbare Einfüllstutzen 10 mit einer Dispersion beschickt werden kann. Durch Anlagen einer Gleich- oder Wechselspannung an die Elektroden 1 und 2 wird im Innern der Zelle ein homogenes elektrisches Feld aufgebaut, in dem die elektrisch geladenen Teilchen gemäß den bekannten Beziehungen der elektrophoretischen Wanderung zu wandern beginnen. Bei gleichsinniger Polarität der Teilchenoberfläche und der Elektrode 2 wird eine Teilchenfront 6 ausgebildet, die den pigmentierten Bereich von dem partikelfreien Serum 9 trennt Trifft nun ein monochromatisches Lichtbündel 5, vorzugsweise ein Laserstrahl, dessen Emission im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich liegen kann, auf das Prisma 4 in der in der Zeichnung dargestellten Weise auf, dann wird dieses Lichtbündel 5 zur Elektrode 2 hin abgelenkt und erfährt an der Elektrodengrenzfläche 8 eine Teilreflexion unter dem Winkel α, da praktisch immer zwischen Elektrodenmaterial und Dispergiermedium eine Brechungsindexdifferenz besteht

Ein Teilbündel 11 wird in das Prisma 4 zurückreflek-

tiert, während ein zweites Teilbündel in die Meßzelle eintritt, das partikelfreie Serum 9 durchläuft und an der Grenzfläche 6 teils absorbiert teils gestreut und teils spiegelnd unter dem Winkel χ reflektiert wird. Das spiegelnd reflektierte Teilbündel 12 durchläuft wiederum die Elektrode 2 und trifft mit einer Phasendifferenz, deren Ausmaß von der Position de; Grenzschicht 6 abhängt im Prisma 4 auf das Teiibündei 1 f.. Im Bereich von 13 erfolgt nunmehr nach den bekannten Interferenzbedingungen bei einer Phasendifferenz von kX

>5 Verstärkung und bei einer Phasendifferenz (2 k + 1) A/2 Schwächung der kohärenten Lichtstrahlen.

Befindet sich die Pigmentfront 6 aufgrund der elektrophoretischen Teilchenwanderung oder aufgrund von Eigendiffusion in Bewegung, dann ändert sich dieser

jo Phasenunterschied ständig. Man erhält einen Lichtstrahl 7, dessen Intensität nach Durchlaufen der Meßanordnung mit einer von der Wanderungsgeschwindigkeit der Teilchenfront bestimmten Frequenz periodisch schwankt Diese Intensitätsschwankung wird mit Hilfe

j·; eines Photoempfängers und einer zugehörigen Verstärkereinrichtung gemessen und registriert Aus dem zeitlichen Abstand aufeinanderfolgender Interferenzmaxima und der bekannten Wellenlänge des Meßlichtes kann bei Berücksichtigung der geometrischen Bcziehung in der Strahlenführung die Wanderungsgeschwindigkeit der Teilchenfront mit hoher Genauigkeit berechnet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zum Messen der elektrophoretischen Wanderungsgeschwindigkeit dispergierter Teilchen in wäßrigem oder nichtwäßrigem Medium mittels eines monochromatischen Strahls, bei dem die Dispersion zwischen zwei Kondensatorplatten gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanderungsgeschwindigkeit der dispergieren Teilchen durch Messung der Interferenz des an mindestens einer lichtdurchlässigen Kondensatorplatte reflektierten monochromatischen Teilstrahls mit einem an der durch eine Gleich- oder Wechselspannung an die Kondensatorplatte wandernden Teilchenfront reflektierten kohärenten Teilstrahl bestimmt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der monochromatische Teilstrahl über ein optisch durchlässiges Prisma, eine Zylinderlinse oder eine Spiegelanordnung an die lichtdurchlässige Kondensatorplatte herangefahrt wird.