靜態(tài)光散射 SMLS 預(yù)測含聚合物乳液的長期穩(wěn)定性

介紹

聚合物在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用于控制粘度、提高使用性能和增加貨架

期。在高濃度時，聚合物通過形成網(wǎng)絡(luò)來穩(wěn)定乳液體系，可以持續(xù)很長

一段時間（幾個月），但是zui終會崩潰形成分離的兩相。這類樣品因為

沒有預(yù)測乳液崩潰的方法，在工業(yè)中經(jīng)常是有問題的，如樣品在質(zhì)檢測

試中是穩(wěn)定的，但是在商業(yè)化過程中卻可能出現(xiàn)穩(wěn)定性崩潰。

Teece 等人通過共聚焦顯微鏡研究了含有黃原膠的 O/W 乳液，發(fā)現(xiàn)

液滴形成厚度為 Is，孔徑為ζ（依濃度不同）的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)（見下圖）。

他們將觀察到的不穩(wěn)定現(xiàn)象與粒徑的這些尺寸性質(zhì)對比，發(fā)現(xiàn)聚合物籠

子越小網(wǎng)鏈約細(xì)乳液保持的越久。使用共聚焦顯微鏡研究穩(wěn)定性的方法

非常強(qiáng)大，但由于需要加入熒光劑，操作者需要有獲得清晰圖像調(diào)整參

數(shù)的大量經(jīng)驗等弊端，難以被廣泛使用。

圖 1 乳液凝膠液滴形成厚度為 Is 孔徑為ζ的結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2 不同聚合物濃度形成孔徑隨老化時間 tw 的變化過程（左） 不同聚

合物濃度形成的厚度 Is 隨老化時間 tw 的變化過程

在本文中，通過對比直接與貨架期相關(guān)的初始 size 與不穩(wěn)定時間的

變化（均由 Turbiscan 獲取），利用靜態(tài)多重光散射方法來預(yù)測 O/W 乳

液+不同聚合物體系的穩(wěn)定時間，并將結(jié)果與 Teece 的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

樣品

本文中研究的 O/W 體系與文獻(xiàn)中的類似，但是更接近于工業(yè)產(chǎn)品。

乳液組分和粒徑詳情如下表所示。

本文中 Teecl&al.

油 葵花籽油 有機(jī)硅油 PDMS

連續(xù)相 水+土溫 20+NaCl 水+乙二醇二乙酸酯

體積濃度 0.05 0.21

粒徑（μm） 2.0 0.3

rg/a 吸引力范圍 0.04 0.62

聚合物性質(zhì) 黃 原 膠 （ 羥 乙 基 纖 維 黃原膠

素，卡拉膠）

聚合物濃度范圍 c/c* 3.5 至 10 2.4 至 4.8

注：在制備過程中 NaCl 被加入到聚合物中

現(xiàn)象和結(jié)果

Turbiscan 靜態(tài)多重光散射分析結(jié)果

使用 Turbiscan 在環(huán)境溫度下分析乳液。這類乳液的典型不穩(wěn)定演變

過程如下圖所示。

樣品的演變過程如圖 2 所示：

（a）在初始時間 0 時刻樣品相當(dāng)均質(zhì)，樣品的液滴分布很好。

（b）在di一天時，樣品整體高度的信號變化了，意味著粒徑的變

化，由簇狀的液滴形成了滲透的 網(wǎng)絡(luò)。

（c）頂部背散射光強(qiáng)度的降低是由樣品穩(wěn)定性崩潰而形成的頂部

的澄清層而引起的。

與 Teece 等人的結(jié)果對比

圖 3 顯示了即使體系不*一樣，但是樣品隨著濃度或相互作用的演變

是一樣的。SMLS 可以檢測粒徑的變化。兩種技術(shù)均顯示，隨著黃原膠加量

增加，粒徑變化越小，對高濃度加量的商業(yè)化商品規(guī)律也同樣如此。

與其他方法對比

如前所述，Turbiscan 可以在不稀釋的情況下持續(xù)檢測樣品粒徑變

化。

 從上圖可見，只有靜置條件下的測量可以持續(xù)監(jiān)測粒徑變化過程，因為乳液的凝膠網(wǎng)絡(luò)是非常脆弱的，剪切應(yīng)力非常低的體系。

與預(yù)測穩(wěn)定性相關(guān)

穩(wěn)定性時間由 Turbiscan 測出，相比視覺觀察，Turbiscan 可以更早

地檢測到不穩(wěn)定現(xiàn)象。與 Teece 等人用視覺觀察的測定的穩(wěn)定性時間對

比，下表給出了 1 天時的粒徑變化與樣品穩(wěn)定時間的關(guān)系。

 數(shù)據(jù)顯示了很好的相關(guān)性：zui低的粒徑變化，穩(wěn)定時間zui長。當(dāng)粒徑變化小于 4%時，乳液凝膠可以穩(wěn)定超過 2 年。S-MLS 獲取的結(jié)果與共聚焦顯 微鏡測量的結(jié)果非常一致，但是沒有重合，因為體系具有不同的濃度或粒徑。本文中被測試的體系比 Teece 等人的體系更穩(wěn)定（超過 1 年），因為 目標(biāo)是分析與商業(yè)接近的樣品，以預(yù)測長期穩(wěn)定性。

總結(jié)

Turbiscan 可以建立預(yù)測聚合物穩(wěn)定乳液的長期穩(wěn)定性方法。這個方

法通過測試 1 天之內(nèi)的粒徑變化來預(yù)測長期穩(wěn)定性。在本研究中，測量

1 天內(nèi)的粒徑變化可以預(yù)測超過 2 年的穩(wěn)定性。

值得注意的是 Turbiscan 用背散射進(jìn)行的穩(wěn)定性測試要比視覺測試

更加敏感，所以可以提高 200 倍的測試速度。