分散穩(wěn)定性

Nicomp® 和 AccuSizer®

配制兩相分散體的一個(gè)共同目標(biāo)是最大限度地提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性或保質(zhì)期。懸浮液和乳液都是如此。粒徑和表面電荷（zeta 電位）都是影響懸浮液穩(wěn)定性的重要物理特性。本應(yīng)用說(shuō)明解釋了如何使用粒徑和 zeta 電位測(cè)量來(lái)提高分散穩(wěn)定性。

介紹

懸浮液（固體/液體）和乳液（液體/液體）都是兩相分散體的例子。溶劑是連續(xù)相，顆粒或乳液液滴構(gòu)成分散相。在穩(wěn)定的分散體中，分散相會(huì)隨著時(shí)間的推移保持一致的粒徑并保持懸浮狀態(tài)。不穩(wěn)定的乳液可以隨著油相“乳化”到頂部而相分離，或者乳液液滴由于聚集或奧斯特瓦爾德熟化而的作用，隨時(shí)間推移而增加。不穩(wěn)定的懸浮液會(huì)絮凝/聚集，然后沉降到底部，如圖 1 所示。

圖 1. 穩(wěn)定性與不穩(wěn)定性

創(chuàng)建穩(wěn)定的分散體涉及控制連續(xù)相和分散相的化學(xué)和物理性質(zhì)。通過(guò)選擇不同的表面活性劑和濃度、改變鹽濃度、控制pH值以及所有這些因素的組合，可以優(yōu)化連續(xù)相的化學(xué)性質(zhì)。通過(guò)在表面添加聚合物涂層（空間穩(wěn)定）、增加表面電荷（靜電穩(wěn)定）以及兩者的結(jié)合，可以使分散相更加穩(wěn)定。

當(dāng)顆粒表面沒(méi)有電荷時(shí)，顆粒可以足夠緊密地相互接近，以至于沒(méi)有屏障阻止它們聚集，從而降低分散穩(wěn)定性。但是，如果表面上存在足夠的電荷，粒子就會(huì)像磁鐵一樣相互排斥，并且永遠(yuǎn)不會(huì)足夠接近以聚集，如圖2所示。

圖2.粒子吸引聚集（左），粒子排斥分離（右）

從測(cè)量的角度來(lái)看，使用zeta電位分析來(lái)表征表面電荷。zeta 電位是距離顆粒不遠(yuǎn)的電位，單位為 mV，如圖 3 所示。 測(cè)量是通過(guò)對(duì)懸浮液施加電場(chǎng)并通過(guò)電泳光散射檢測(cè)顆粒的運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行的。粒子移動(dòng)的方向決定了符號(hào)（+或-），而速度決定了電荷的大小。可以通過(guò)檢測(cè)頻移（相位多普勒）或相移（光散射相位分析或 PALS）來(lái)分析運(yùn)動(dòng)。

圖3.Zeta電位

zeta 電位測(cè)量的主要結(jié)果是電泳遷移率 μ，然后使用以下公式計(jì)算 zeta 電位：

zeta 電位是正電荷還是負(fù)電荷并不重要，重要的是絕對(duì)大小。較高的 zeta 電位值是穩(wěn)定性高的指標(biāo)。不同種類的分散體需要不同的電荷值來(lái)增強(qiáng)穩(wěn)定性，如圖4所示（僅粗略指南）。

圖4.Zeta 電位穩(wěn)定性指南

通過(guò)改變 zeta 電位來(lái)提高穩(wěn)定性通常只對(duì)小顆粒（平均尺寸低于 1 μm）很重要，對(duì)于乳液而言，這個(gè)尺寸可能會(huì)更大。

等電點(diǎn) （IEP）

分散體的等電點(diǎn) （IEP） 是 zeta 電位等于零時(shí)的 pH 值 1 。這是進(jìn)行 zeta 電位測(cè)量的常見(jiàn)原因，因?yàn)?IEP 指示可能導(dǎo)致分散不穩(wěn)定的表面化學(xué)條件。這個(gè)概念如圖 5 所示。

圖5.等電點(diǎn)

結(jié)果：食品乳液

通過(guò)用pH 6.8至3.2的弱酸滴定來(lái)改變食品乳液的pH值。使用 PALS 技術(shù)在每個(gè)pH值下進(jìn)行進(jìn)行 7 次測(cè)量（施加電場(chǎng) = 4 v/cm），并報(bào)告平均值。zeta 電位與 pH 值的關(guān)系圖如圖 6 所示。

圖6.Zeta 電位與 pH 值的關(guān)系

乳液樣品在pH 6.5時(shí)的粒度分布如圖7所示，在pH 3.5下的粒徑分布如圖8所示。請(qǐng)注意，在較低的pH值下，液滴尺寸（302 – 496 nm）急劇增加，表明乳液正在不穩(wěn)定。

圖7.pH 6.5 時(shí)的粒徑，zeta 電位 = -34 mV

圖8.pH 3.5 時(shí)的粒徑，zeta 電位 = -9.8 mV

結(jié)果：氧化鋅懸浮液

購(gòu)買了氧化鋅 （ZnO） “納米粉末”（Sigma Aldrich，#544906），以研究 pH 值對(duì) zeta 電位和粒徑的影響。所有樣品均通過(guò)用 Igepal CA-630 非離子表面活性劑分散并使用超聲探頭進(jìn)行 3 分鐘的超聲波制備.2 pH 值 6.9 和 11.2 的 zeta 電位值如圖 9 和圖 10 所示。請(qǐng)注意，即使接近零，也會(huì)產(chǎn)生非常穩(wěn)定的 zeta 電位結(jié)果。

圖 9.pH 6.9 時(shí) ZnO 的 Zeta 電位

圖 10.pH 11.2 時(shí) ZnO 的 Zeta 電位

圖11顯示了粒徑的變化，從單峰分布（pH 6.9時(shí)峰值為198 nm 藍(lán)色峰）到雙峰分布（pH 11.2時(shí)峰值為204和573 nm 粉紅色峰）。當(dāng) zeta 電位接近零時(shí)，懸浮液不穩(wěn)定并開(kāi)始聚集。

圖 11.pH 值為 6.9（藍(lán)色）和 11.2（粉紅色）時(shí)的 ZnO 粒徑

參考

1 Entegris Application Note, Isoelectric Point (IEP)

2 Entegris Technical Note, DLS Sample Preparation