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加速离心对于稳定性测定的影响

发表时间:2021-12-15      点击次数:961

1.介绍

具有高分辨率光学检测的多样品离心加速方法(STEP技术)是评估分散体长周期稳定性的有效工具。沉降和上浮过程可以直接加速检测,更重要的是,由于其他失稳过程(聚结、奥式熟化和絮凝)导致的结构稳定性变化也可以被很精确地检测出,而且比在自然沉降的可视化观察及监测样品的粘度变化或粒径分布等方法更加快速有效。

另一方面,相对于在正常储存条件下得到的稳定性观察结果,离心场中获得的稳定性分析结果的有效性有时会受到质疑。为此,在多分散性和惯性粒子力(吸引力/排斥力)不同的系统上进行了一系列实验在地球重力和离心加速度作用下测量沉降或乳脂。

为此,对不同多分散性和颗粒间作用力(吸引力/斥力)的产品体系进行了一系列实验,分别在重力作用和离心加速度的作用下监测其沉降或上浮的变化。


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图1 STEP技术示意图


2.实验结果与讨论

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图2 离心加速相对多倍重力下分散体系分离速度的情况


从图2我们可以看到分散体系大致在多倍重力下分为4种情况,第一类样品不受剪切效应的影响,分散体系的分离速度始终呈现线性关系,这类产品测定时可以使用最高转速来进行加速实验考察其体系的分散稳定性。第二类样品发生剪切变稀,随着转速增加,分离速度比线性状态下偏高。第三类样品发生剪切增稠,随着转速增加,分离速度比线性状态下偏低。第二与第三类样品测定时要注意选择合理的转速范围,保证在测试过程中使结果在线性范围内。第四类样品在重力或多倍重力加速度下都不显示物理分离,极为稳定,无需考察其分散体稳定性。

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图3  稳定的单一组分二氧化硅分散体


图3中单一组分二氧化硅分散体整体呈现很好的线性关系,同时随着浓度的增加也降低分离的速度。

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图4  稳定的多组分石英分散体


对于多组分石英分散体系,由于存在系统误差,整体线性趋势有一些偏离。在高转速下,移动最快的粒子未被检测系统捕捉到。然而,通过在较低加速度下逼近线性的非线性外推方法,仍然可以推导出地球重力下的分离加速度,以此来保证检测的客观性和准确性。

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图5  发生絮凝的二氧化硅分散体系


图5中,加入不同量的NaCl使单组二氧化硅分散体( 5 % , m/m , 200nm )变得不稳定。整体的沉降速度几乎呈线性,除在较高的加速度下,低结合度的絮凝网状结构被破坏,样品的图谱的差异也可以从图中看出。

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图6  溶于水性乳液的石蜡油


乳化液的乳化液速度尺度与乳化液的RCF成线性关系,可达油含量> 30 %。在高内相比时,乳化液发生了减速的液滴迁移,可用幂律进行拟合。然而,当接近相转化点时,观察到一个屈服点,即乳液在正常重力下是物理稳定的。

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           图7  奶油利口酒


比较3个奶油利口酒样品,样品在初始上浮速度不同。上浮速度与RCF成线性关系。这为计算正常重力下的物理保质期。


3 小结

基于离心加速度的功能应用,通过分散体系的分离速度可以用于评估不同类型的分散体系的稳定性能。

对于稳定的单组分散二氧化硅悬浮液,沉淀速度与加速离心力具有明显的线性关系。在较高的固体浓度下,随着浓度的增加,分子间的阻碍也在增加。

对于稳定的多分散石英悬浮液,出现了系统性的低速偏差,然而,可以通过非线性方程可推断地球重力下的沉淀速度。

对于絮凝二氧化硅,速度几乎呈线性变化,除非在较高加速度下,如果絮凝程度较低,则絮凝网络结果遭到破坏。

对于水包油乳液,当接近较高含油量的相转变点时,线性行为变为非线性。

自然重力下的保质期可通过加速离心法快速用几个小时来测试预测出来,相比于传统方法用数周或数月进行实验测定,大大提高了研发和品质控制的效率。


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