DE2458605C3

DE2458605C3 - Method for measuring the electrophoretic migration rate of dispersed particles

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: DE2458605A1; DE2458605B2

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.The present invention relates to a method for measuring the electrophoretic rate of change disperse particles in aqueous or non-aqueous medium by means of a monochromatic Beam in which the dispersion between two capacitor plates is filled.

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. A method of the type mentioned is from the US-PS 37 08 402 known, but only for single particle measurements suitable, i.e. only very dilute dispersions can be measured. It will a correlation analysis of the pulse-like signal caused by individual particle scattering is carried out in a known manner.

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.It is also known that the electrophoresis Migration of dispersed particles can be measured by visual observation. This procedure (Microelectrophoresis) leads to highly dilute dispersions with microscopically observable Particle to Success. However, it has the major disadvantage that concentrated dispersions, as in the Practice almost exclusively used and in which the knowledge of the electrophoretic The mobility of a determinable zeta potential is of great importance, a direct measurement is not are accessible. In addition, the particle sizes of the dispersed particles often vary in range far below the wavelength of visible light and are therefore not visually observable. These Restrictions on the use of microelectrophoretic measuring methods apply in particular to technical important dispersions, such as. B. plastic dispersions, paints, printing inks and toner liquids for the Reprography too.

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.It is also known that the electrophoretic Migration of soluble colloids by observation of the migrating boundary layer, which by special preparative Measures established between the colloidal solution and the pure serum are determined be kana The application of this method to measure the electrophoretic migration of dispersed Particle is generally very difficult or particularly in the case of paints, printing inks and toner liquids impossible, since on the one hand it is generally difficult to produce a sharply defined boundary layer, and in particular is impossible in these cases at the particle-volume concentrations of interest observe the migration of the boundary layer in a conventional manner.

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).It is also known that the electrophoretic Migration of dispersed particles from gravimetrically determined values of the electrophoretic mass transport can be determined. The application of this procedure extends to Dispersions with high pigment volume concentration, however, the scope is also strong limited, since the execution of the gravimetric measurement has considerable differences in density between the dispersing medium and the particles dispersed therein as a requirement This requirement is not met in particular in the case of non-aqueous dispersions of organic colored pigments, so that such Systems measurements of the type mentioned have not yet been feasible. The measurement of the electrophoretic However, the speed of migration in such systems is of great technical and scientific nature Importance (toner liquids, varnishes, printing inks).

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-The invention is therefore based on the object of a method for measuring the electrophoretic migration speed To find dispersed particles in which the prior art described corresponding, above-mentioned significant input

jo schränkungen hinsichtlich Partikelgröße, Partikel-Volumen-Konzentration and Partikeldichte entfallen.jo restrictions on particle size, particle volume concentration and particle density are omitted.

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.According to the invention this object is achieved in that the migration speed of the dispersed Particles by measuring the interference of at least one translucent capacitor plate reflected monochromatic partial beam with one to the by a direct or alternating voltage to the Condenser plate migrating particle front reflected coherent partial beam is determined.

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 oderAccording to a further training άΐ3 according to the invention Method is the monochromatic partial beam over an optically transparent prism, a Cylinder lens or a mirror arrangement brought up to the translucent capacitor plate. Through this it is made possible to optically adjust the measuring arrangement in a simple manner. The invention lies based on the finding that the optical reflectivity is caused by electrophoretic migration generated boundary layer of dispersed particles or

^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. ^r > o a front of dispersed particles advancing by diffusion, with the electric field switched off, is sufficient to reflect a partial beam capable of interference with a coherent partial beam in the sense of a specular reflection.

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-The change in the position of the reflective boundary layer over time can then be determined by measuring the due to the constant change in the phase difference of the two coherent monochromatic light bundles periodic intensity generated by interference

Fluctuations are determined.

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 denenBy using an optical interference measurement principle in the method according to the invention the speed of migration of the particles with a compared to conventional methods significantly higher accuracy determined. The particular advantage of the method according to the invention is in particular but also in the fact that measurements can be made on systems in which

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.Measurements using conventional methods have so far either been impossible or only with large ones metrological uncertainties were feasible. Such systems where measurements of the said Ax at normal particle volume concentrations in practice can be carried out with great accuracy for the first time with the aid of the method according to the invention z. B. Printing inks, lacquers and toner liquids.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zum Bestimmen der Diffusionsgeschwindigkeit dispergierter Teilchen herangezogen werden, wenn entweder pulsierender Gleich- oder Wechselstrom verwendet wird.The method according to the invention can also be used to determine the rate of diffusion dispersed Particles are attracted when either pulsating direct or alternating current is used.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert Sie zeigt einen Querschnitt durch eine Meßzelle parallel zur Einfallsebene des Meßlichtes.An embodiment of the invention is explained below with reference to the drawing Cross section through a measuring cell parallel to the plane of incidence of the measuring light.

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 bestehtThe measuring arrangement rar implementation of the method according to the invention consists of an as Measuring cell formed capacitor, which consists of the electrodes 1, 2 and a spacer 3 from One of the two electrodes 2 is transparent and consists of a non-conductive material Matching to the wavelength range of the measuring light either made of silicon, germanium or conductive coated glass or quartz. The conductive electrode 2 is made with the base surface of a prism 4 translucent material connected. Instead of the prism 4, differently shaped bodies such. B. Cylindrical lenses or mirror arrangements occur so far they bring advantages for the optical beam guidance for the selected measuring arrangement. The prism 4 or differently shaped contact bodies or mirror arrangements can also be omitted entirely. The distance between the two electrodes 1, 2 is preferably 0.5 mm to 5.0 mm. The electrodes 1, 2 and the Isolator 3 form the cell space, which is charged with a dispersion via closable filler necks 10 can be. By applying a direct or alternating voltage to the electrodes 1 and 2, the Inside the cell a homogeneous electric field is built up in which the electrically charged particles begin to migrate according to the known relationships of electrophoretic migration. With the same direction Polarity of the particle surface and the electrode 2, a particle front 6 is formed, which the separates the pigmented area from the particle-free serum 9 Now hits a monochromatic light beam 5, preferably a laser beam whose emission is in the ultraviolet, visible or infrared spectral range can lie on the prism 4 in the manner shown in the drawing, then this The light bundle 5 is deflected towards the electrode 2 and undergoes a partial reflection at the electrode interface 8 the angle α, as there is practically always a refractive index difference between the electrode material and the dispersing medium consists

A partial bundle 11 is reflected back into the prism 4

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 benefits, while a second partial bundle enters the measuring cell, the particle-free serum 9 passes and is partly absorbed, partly scattered and partly reflected at the angle χ at the interface 6. The specularly reflected partial bundle 12 again passes through the electrode 2 and hits with a phase difference, the extent of which depends on the position de; Boundary layer 6 depends in prism 4 on Teiibündei 1 f .. In the area of 13 now takes place according to the known interference conditions with a phase difference of kX

>5 Verstärkung und bei einer Phasendifferenz (2 k + 1) A/2 Schwächung der kohärenten Lichtstrahlen.> 5 amplification and with a phase difference (2 k + 1) A / 2 weakening of the coherent light rays.

Befindet sich die Pigmentfront 6 aufgrund der elektrophoretischen Teilchenwanderung oder aufgrund von Eigendiffusion in Bewegung, dann ändert sich dieserIs the pigment front 6 due to the electrophoretic particle migration or due to of self-diffusion in motion, then this changes

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 Hilfejo phase difference constantly. A ray of light is obtained 7, the intensity of which after passing through the measuring arrangement with one of the migration speed of Particle front specific frequency fluctuates periodically This intensity fluctuation is with the help

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.j ·; a photoreceiver and an associated amplifier device measured and registered from the time interval between successive interference maxima and the known wavelength of the measuring light, taking into account the geometrical relationship in the beam guidance the migration speed of the particle front with high accuracy be calculated.

1 sheet of drawings

Claims

Claims;

1. Method of measuring the electrophoretic migration rate of dispersed particles in aqueous or non-aqueous medium by means of a monochromatic jet in which the Dispersion between two capacitor plates is filled, characterized in that the speed of migration of the dispersed particles by measuring the interference of the an at least one translucent capacitor plate reflected monochromatic partial beam with one on the wandering through a direct or alternating voltage to the capacitor plate Particle front reflected coherent partial beam is determined.

2. The method according to claim 1, characterized in that the monochromatic partial beam over an optically transparent prism, a cylinder lens or a mirror arrangement to the translucent Capacitor plate is brought up.