分散穩定性

Nicomp® 和 AccuSizer®

配制兩相分散體的一個共同目標是最大限度地提高產品的穩定性或保質期。懸浮液和乳液都是如此。粒徑和表面電荷（zeta 電位）都是影響懸浮液穩定性的重要物理特性。本應用說明解釋了如何使用粒徑和 zeta 電位測量來提高分散穩定性。

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。溶劑是連續相，顆粒或乳液液滴構成分散相。在穩定的分散體中，分散相會隨著時間的推移保持一致的粒徑并保持懸浮狀態。不穩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，隨時間推移而增加。不穩定的懸浮液會絮凝/聚集，然后沉降到底部，如圖 1 所示。

圖 1. 穩定性與不穩定性

創建穩定的分散體涉及控制連續相和分散相的化學和物理性質。通過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，可以優化連續相的化學性質。通過在表面添加聚合物涂層（空間穩定）、增加表面電荷（靜電穩定）以及兩者的結合，可以使分散相更加穩定。

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

圖2.粒子吸引聚集（左），粒子排斥分離（右）

從測量的角度來看，使用zeta電位分析來表征表面電荷。zeta 電位是距離顆粒不遠的電位，單位為 mV，如圖 3 所示。 測量是通過對懸浮液施加電場并通過電泳光散射檢測顆粒的運動來進行的。粒子移動的方向決定了符號（+或-），而速度決定了電荷的大小。可以通過檢測頻移（相位多普勒）或相移（光散射相位分析或 PALS）來分析運動。

圖3.Zeta電位

zeta 電位測量的主要結果是電泳遷移率 μ，然后使用以下公式計算 zeta 電位：

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

圖4.Zeta 電位穩定性指南

通過改變 zeta 電位來提高穩定性通常只對小顆粒（平均尺寸低于 1 μm）很重要，對于乳液而言，這個尺寸可能會更大。

等電點 （IEP）

分散體的等電點 （IEP） 是 zeta 電位等于零時的 pH 值 1 。這是進行 zeta 電位測量的常見原因，因為 IEP 指示可能導致分散不穩定的表面化學條件。這個概念如圖 5 所示。

圖5.等電點

結果：食品乳液

通過用pH 6.8至3.2的弱酸滴定來改變食品乳液的pH值。使用 PALS 技術在每個pH值下進行進行 7 次測量（施加電場 = 4 v/cm），并報告平均值。zeta 電位與 pH 值的關系圖如圖 6 所示。

圖6.Zeta 電位與 pH 值的關系

乳液樣品在pH 6.5時的粒度分布如圖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，表明乳液正在不穩定。

圖7.pH 6.5 時的粒徑，zeta 電位 = -34 mV

圖8.pH 3.5 時的粒徑，zeta 電位 = -9.8 mV

結果：氧化鋅懸浮液

購買了氧化鋅 （ZnO） “納米粉末"（Sigma Aldrich，#544906），以研究 pH 值對 zeta 電位和粒徑的影響。所有樣品均通過用 Igepal CA-630 非離子表面活性劑分散并使用超聲探頭進行 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。請注意，即使接近零，也會產生非常穩定的 zeta 電位結果。

圖 9.pH 6.9 時 ZnO 的 Zeta 電位

圖 10.pH 11.2 時 ZnO 的 Zeta 電位

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

圖 11.pH 值為 6.9（藍色）和 11.2（粉紅色）時的 ZnO 粒徑

參考

1 Entegris Application Note, Isoelectric Point (IEP)

2 Entegris Technical Note, DLS Sample Preparation