快速可靠的沉淀研究方法-多重光散射儀

2022-06-27

許多工業(yè)產(chǎn)品在使用過(guò)程中，都會(huì)出現(xiàn)沉降不穩(wěn)定現(xiàn)象現(xiàn)象，對(duì)最終使用性能產(chǎn)生影響。配方開發(fā)者需要限制顆粒沉降過(guò)程，提高產(chǎn)品貨架期。同樣，產(chǎn)品也應(yīng)該具有良好的再分散性，從而保證樣品在使用前的均勻性。借助于Turbiscan技術(shù)，我們可以充分地研究沉降機(jī)理，量化、比較沉降速度，以快速評(píng)估貨架期。

沉淀的定義

沉淀是由于固體顆粒和連續(xù)相之間存在密度差，固體顆粒隨著時(shí)間沉降在容器底部的現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在懸浮液中。

沉降速度可以利用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。

沉淀的傳統(tǒng)測(cè)試方法

目視觀察仍然是沉降試驗(yàn)和穩(wěn)定性分析中最常用的方法。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，沉降動(dòng)力學(xué)的評(píng)價(jià)也不精確。為了克服沉降問(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，并符合ISO TR13097標(biāo)準(zhǔn)。

Turbiscan測(cè)量沉降

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)開始跟蹤沉積變化。

上圖是用Turbiscan對(duì)樣品進(jìn)行了14小時(shí)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)間的增加而增加，這意味著該區(qū)域出現(xiàn)了越來(lái)越多的散射體。顆粒沉淀并改變懸浮液的局部濃度，沉積物隨著時(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)間的增加而減小，說(shuō)明頂部的散射體逐漸減少，濃度降低。隨著時(shí)間的推移，頂部會(huì)形成一個(gè)澄清層。

- 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。

更深入的理解沉淀現(xiàn)象

隨著沉淀過(guò)程的推移，澄清和沉淀的界限逐漸移動(dòng)，強(qiáng)度也逐漸變化：

所有這些參數(shù)都可以用來(lái)了解沉積過(guò)程。

- 沉淀到底有多明顯？

以A, B, C三個(gè)樣本的沉積過(guò)程為例，底部沉淀區(qū)域的背散射信號(hào)-?BS隨時(shí)間變化曲線和沉淀厚度隨時(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A樣品的沉淀濃度增加的更快，而C樣品濃度增加的更慢。

從底部的沉淀度隨時(shí)間變化曲線可以知道A樣品的沉淀厚度最高，而B、C樣品的沉淀厚度接近。

- 如何獲得遷移速率和流體力學(xué)直徑？

通過(guò)計(jì)算頂部澄清區(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的顆粒沉降速度比樣品B和C快。

通過(guò)Stokes定律可以計(jì)算沉降顆粒的直徑，即所謂的流體力學(xué)直徑。

結(jié)論

Turbiscan®不僅可以檢測(cè)沉降，還可以通過(guò)Turbiscan穩(wěn)定性指數(shù)(TSI)或繪制詳細(xì)動(dòng)力學(xué)圖來(lái)量化沉降。Turbiscan®技術(shù)是配方表征最完整的解決方案:從分散性、平均粒徑、穩(wěn)定性定量和監(jiān)測(cè)，到再分散研究。