快速可靠的上浮研究方法-Turbiscan多重光散射儀

2022-09-06

許多工業(yè)產(chǎn)品（例如飲料、糖漿、化妝品乳霜、潤(rùn)滑油）在儲(chǔ)存過(guò)程中，都會(huì)出現(xiàn)上浮不穩(wěn)定現(xiàn)象現(xiàn)象，對(duì)最終使用性能產(chǎn)生影響。配方開(kāi)發(fā)者需要限制液滴上浮速度，提高產(chǎn)品貨架期。本文展示如何使用 turbiscan 技術(shù)以定量方法，迅速評(píng)估配方的上浮穩(wěn)定性。此外，為了充分了解上浮機(jī)理，我們進(jìn)行了更加詳細(xì)的計(jì)算。

上浮的定義

上浮是由于分散相和連續(xù)相之間存在密度差，分散在液相中的液體粒子(液滴)隨著時(shí)間逐漸向容器頂部移動(dòng)的現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在水包油乳液中。

上浮速度可以利用Stokes定律來(lái)量化:

?? : 顆粒沉降速度

?? : 重力加速度

d: 顆粒直徑 (球形)

η: 液體的動(dòng)力學(xué)粘度

?????: 顆粒和連續(xù)相之間的密度差

分析斯托克斯沉降方程，為限制沉降提供了一些思路: 增加連續(xù)相粘度，減小密度差或通過(guò)減小平均粒徑。

上浮的傳統(tǒng)測(cè)試方法

目視觀察仍然是評(píng)價(jià)穩(wěn)定性上浮現(xiàn)象常用的方法。該方法很簡(jiǎn)單，但可能很耗時(shí)，因?yàn)樽兓仨殞?duì)肉眼可見(jiàn)。此外，上浮動(dòng)力學(xué)的評(píng)價(jià)也不精確。為了克服上浮問(wèn)題，科學(xué)家需要早期識(shí)別和量化，以應(yīng)用策略，并及時(shí)評(píng)價(jià)穩(wěn)定劑的效果。

Turbiscan儀器原理

基于靜態(tài)多光散射(SMLS)的Turbiscan技術(shù)的工作原理是利用近紅外光源照射樣品，然后獲取樣品從底部到頂部整個(gè)高度的背散射(BS)和透射(T)信號(hào)。

信號(hào)強(qiáng)度與粒子的濃度(φ)和大小(??)有關(guān)，連續(xù)相折射率(????)和分散相折射率(????)為固定參數(shù)。BS和T的測(cè)量可以采用掃描方式進(jìn)行，以提供穩(wěn)定性和粒徑測(cè)量。

儀器能監(jiān)測(cè)物理不穩(wěn)定性(絮凝、聚并、上浮、沉淀、相分離等等)，不需要任何稀釋?zhuān)⒎螴SO TR13097標(biāo)準(zhǔn)。

Turbiscan測(cè)量上浮

Turbiscan圖譜記錄了樣品不穩(wěn)定現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)變化清空。橫坐標(biāo)為樣品高度，圖形的左側(cè)代表樣品的底部，右側(cè)代表頂部。右側(cè)時(shí)間刻度對(duì)應(yīng)于每一次掃描的時(shí)間推移，次掃描為藍(lán)色，最后一次掃描為紅色。記錄的背向散射信號(hào)設(shè)置為“參比模式”-?BS。以次掃描為參照，從樣品初始狀態(tài)開(kāi)始跟蹤沉積變化。

上圖是用Turbiscan對(duì)樣品進(jìn)行了1天分析的一個(gè)例子。該圖顯示了樣品不穩(wěn)定現(xiàn)象的3個(gè)關(guān)鍵區(qū)域：

- 在樣品的底部-圖的左側(cè)(1)，背向散射信號(hào)隨著時(shí)間的增加而降低，這意味著該區(qū)域液滴濃度逐漸降低，澄清層會(huì)隨著時(shí)間的推移而形成。

- 在樣本的頂部圖的右側(cè)(3)，背向散射信號(hào)隨著時(shí)間的增加而增加，說(shuō)明頂部的液滴濃度逐漸增加。隨著時(shí)間的推移，頂部會(huì)形成一個(gè)上浮層。

- 在中心區(qū)域(2)，測(cè)試期間Backscattering信號(hào)保持在同一水平，說(shuō)明失穩(wěn)現(xiàn)象純粹是遷移現(xiàn)象，在此情況下沒(méi)有顆粒尺寸變化。即使在高濃度樣品中發(fā)生粒子遷移，Turbiscan也可以在最初的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以清楚地識(shí)別出來(lái)，而肉眼可能需要幾天或幾周才能看到其變化。

更深入的理解上浮現(xiàn)象

隨著上浮過(guò)程的推移，澄清和上浮的界限逐漸移動(dòng)，強(qiáng)度也逐漸變化：

所有這些參數(shù)都可以監(jiān)測(cè)用來(lái)了解上浮過(guò)程。

- 上浮有多明顯？

以A, B, C三個(gè)樣本的沉積過(guò)程為例，頂部上浮區(qū)域的背散射信號(hào)-?BS隨時(shí)間變化曲線和上浮厚度隨時(shí)間變化曲線如下圖所示：

從?BS隨時(shí)間變化曲線可以得出頂部上浮區(qū)域A樣品的濃度增加的更快，而C樣品濃度增加的較慢。從上浮厚度隨時(shí)間變化曲線可以知道A樣品的上浮厚度*高，而C樣品的上浮厚度較低。

- 如何獲得遷移速率和流體力學(xué)直徑？

通過(guò)計(jì)算澄清區(qū)域的分層厚度可以得到粒子遷移速率，遷移速率就是分層厚度-時(shí)間曲線的斜率。

樣品A的上浮沉降速度比樣品B和C更快。

通過(guò)Stokes定律可以計(jì)算上浮液滴的直徑，即所謂的流體力學(xué)直徑。

結(jié)論

基于靜態(tài)多光散射(MLS)的多重光掃描技術(shù)，可以在無(wú)稀釋合機(jī)械應(yīng)力的情況下研究分散體系的上浮。與眼睛相比，穩(wěn)定性檢測(cè)更快(提高200倍)。該儀器不僅可以檢測(cè)，而且可以定量地測(cè)定上浮程度，無(wú)論是使用TSI還是繪制詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)圖。用戶可以根據(jù)這些可靠的結(jié)果，在客觀數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上選擇優(yōu)化配方的策略。