2021-06-27
许多工业产品在使用过程中,都会出现沉降不稳定现象现象,对最终使用性能产生影响。配方开发者需要限制颗粒沉降过程,提高产品货架期。同样,产品也应该💖具有良好的再分散性,从而保证样品在使用前的均匀性。借助于Turbiscan技术,我们可以充分地研究沉降机理,量化、比较沉降速度,以快速评估货架期。
沉淀的定义
沉淀是由于固体颗粒和连续相之间存在密度差,固体颗粒随着时间沉降在容器底部的现象ꦓ,主要出现在悬浮液中。
沉降速度可以利用Stokes定律来量化:
𝑣 : 颗粒沉降速度
𝑔 : 重力加速度
d: 颗粒直径 (球形)
η: 液体的动力学粘度
∆𝜌𝑝: 颗粒和连续相之间的密度差
分析斯托克斯沉降方程,为限制沉降提供了一些思路: 增加连续相粘度,减小密度差或通过减小平均粒径。
沉淀的传统测试方法
目视观察仍然是沉降试验和稳定性分析中最常用的方法。该方法很简单,但可能很耗时,因为变化必须对肉眼可见。此外,沉降动力学的评价也不精确。为了克服沉降问题,科学家需要早期识别和量化,以应用策略,并及♌时评价稳定剂的效果。
Turbiscan仪器原理
基于静态多光散射(SMLS)的Turbiscan技术的工♐作原理是利用近红外光源照射样品,然后获取样品从底部到顶部整个高度的背散射(BS)和透射(T)信号。
信号强度与粒子的浓度(φ)和大小(𝒅)有关,连续相折射率(𝒏𝒇)和分散相折射率(𝒏𝒑)为固定参数。BS和T的测量可以采用扫描方式进行,以提供稳定性和粒径测量。
仪器能监测物理不稳定性(絮凝、聚并、上浮、沉淀、相分离▨等等),不需要任何稀释,并符合ISO TR13097标准💖。
Turbiscan测量沉降
Turbiscan图谱记录了样品♌不稳定现象对应的光强变化清空。横坐标为样品高度,图形的左侧代表样品的底部,右侧代表顶部。右侧时间刻度对应于每一次扫描的时间推移,次扫描为蓝色,最后一次扫描为红色。记录的背向散射信号设置为“参比模式"-∆BS。以次扫描为参照,从样品初始状态开始跟踪沉ꦇ积变化。
上图是用Turbiscan对样品进行了14小时分析的一个🐻💜例子。该图显示了样品不稳定现象的3个关键区域:
- 在样品的底部-图的左侧(1),背向散射信号随着时间♍的增加而增加,这意味着该区域出现👍了越来越多的散射体。颗粒沉淀并改变悬浮液的局部浓度,沉积物随着时间的推移而形成。
- 在样本的顶部图的右侧(3🥂),背向散射信号随着时间的增加而减小,说明顶部的散射体逐渐减少,浓度降低。随着时间的推移,顶部会形成一个澄清层。
🉐- 在中心区域(2),测试💙期间Backscattering信号保持在同一水平,说明失稳现象纯粹是迁移现象,在此情况下没有颗粒尺寸变化。即使在高浓度样品中发生粒子迁移,Turbiscan也可以在最初的几个小时内就可以清楚地识别出来,而肉眼可能需要几天或几周才能看到其变化。
更深入的理解沉淀现象
随着沉淀过程的推移,澄清和沉淀的界限逐渐移动,强度也逐渐变化:
所有这些参数都可以用来了解沉积过程。
- 沉淀到底有多明显?
以A, 🐼B, C三个样本的沉积过程为例,底部沉淀区域的背散射信号-∆BS随时间变化曲线和沉淀厚度随时间变化曲线如下图所示:
从∆BS随时间变化曲线可以得出A样品的沉淀浓度增加的更快,而C样品浓度增加的更慢。
从底部的沉淀度随时间变化曲线可以知道A样品的沉淀厚度最高,而B、C样品的沉淀厚度接近。
- 如何获得迁移速率和流体力学直径?
通过计算顶部澄清区域的分层厚度可以得到粒子迁移速率,迁移速率就是分层厚度-时间曲线的斜率。
样品A的颗粒沉降速度比样品B和C快。
通过Stokes定律可以计算沉降颗粒的直径,即所谓的流体力学直径。
结论
Turbiscan®不仅可以检测沉降,还可以通过Turbiscan稳定性指数(TSI)或绘制详细动力学图来量化沉降。Turbiscan®技术是配方表征最完整的解决方案:从分散性、平均粒径、稳定性定量和监测,到再分散研究。