具有高分辨率光學(xué)檢測(cè)的多樣品離心加速方法(STEP技術(shù))是評(píng)估分散體長(zhǎng)周期穩(wěn)定性的有效工具。沉降和上浮過(guò)程可以直接加速檢測(cè),更重要的是,由于其他失穩(wěn)過(guò)程(聚結(jié)、奧式熟化和絮凝)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變化也可以被很精確地檢測(cè)出,而且比在自然沉降的可視化觀察及監(jiān)測(cè)樣品的粘度變化或粒徑分布等方法更加快速有效。
另一方面,相對(duì)于在正常儲(chǔ)存條件下得到的穩(wěn)定性觀察結(jié)果,離心場(chǎng)中獲得的穩(wěn)定性分析結(jié)果的有效性有時(shí)會(huì)受到質(zhì)疑。為此,在多分散性和慣性粒子力(吸引力/排斥力)不同的系統(tǒng)上進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)在地球重力和離心加速度作用下測(cè)量沉降或乳脂。
為此,對(duì)不同多分散性和顆粒間作用力(吸引力/斥力)的產(chǎn)品體系進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn),分別在重力作用和離心加速度的作用下監(jiān)測(cè)其沉降或上浮的變化。
圖1 STEP技術(shù)示意圖
圖2 離心加速相對(duì)多倍重力下分散體系分離速度的情況
從圖2我們可以看到分散體系大致在多倍重力下分為4種情況,第一類樣品不受剪切效應(yīng)的影響,分散體系的分離速度始終呈現(xiàn)線性關(guān)系,這類產(chǎn)品測(cè)定時(shí)可以使用最高轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行加速實(shí)驗(yàn)考察其體系的分散穩(wěn)定性。第二類樣品發(fā)生剪切變稀,隨著轉(zhuǎn)速增加,分離速度比線性狀態(tài)下偏高。第三類樣品發(fā)生剪切增稠,隨著轉(zhuǎn)速增加,分離速度比線性狀態(tài)下偏低。第二與第三類樣品測(cè)定時(shí)要注意選擇合理的轉(zhuǎn)速范圍,保證在測(cè)試過(guò)程中使結(jié)果在線性范圍內(nèi)。第四類樣品在重力或多倍重力加速度下都不顯示物理分離,極為穩(wěn)定,無(wú)需考察其分散體穩(wěn)定性。
圖3 穩(wěn)定的單一組分二氧化硅分散體
圖3中單一組分二氧化硅分散體整體呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,同時(shí)隨著濃度的增加也降低分離的速度。
圖4 穩(wěn)定的多組分石英分散體
對(duì)于多組分石英分散體系,由于存在系統(tǒng)誤差,整體線性趨勢(shì)有一些偏離。在高轉(zhuǎn)速下,移動(dòng)最快的粒子未被檢測(cè)系統(tǒng)捕捉到。然而,通過(guò)在較低加速度下逼近線性的非線性外推方法,仍然可以推導(dǎo)出地球重力下的分離加速度,以此來(lái)保證檢測(cè)的客觀性和準(zhǔn)確性。
圖5 發(fā)生絮凝的二氧化硅分散體系
圖5中,加入不同量的NaCl使單組二氧化硅分散體( 5 % , m/m , 200nm )變得不穩(wěn)定。整體的沉降速度幾乎呈線性,除在較高的加速度下,低結(jié)合度的絮凝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞,樣品的圖譜的差異也可以從圖中看出。
圖6 溶于水性乳液的石蠟油
乳化液的乳化液速度尺度與乳化液的RCF成線性關(guān)系,可達(dá)油含量> 30 %。在高內(nèi)相比時(shí),乳化液發(fā)生了減速的液滴遷移,可用冪律進(jìn)行擬合。然而,當(dāng)接近相轉(zhuǎn)化點(diǎn)時(shí),觀察到一個(gè)屈服點(diǎn),即乳液在正常重力下是物理穩(wěn)定的。
圖7 奶油利口酒
比較3個(gè)奶油利口酒樣品,樣品在初始上浮速度不同。上浮速度與RCF成線性關(guān)系。這為計(jì)算正常重力下的物理保質(zhì)期。
基于離心加速度的功能應(yīng)用,通過(guò)分散體系的分離速度可以用于評(píng)估不同類型的分散體系的穩(wěn)定性能。
對(duì)于穩(wěn)定的單組分散二氧化硅懸浮液,沉淀速度與加速離心力具有明顯的線性關(guān)系。在較高的固體濃度下,隨著濃度的增加,分子間的阻礙也在增加。
對(duì)于穩(wěn)定的多分散石英懸浮液,出現(xiàn)了系統(tǒng)性的低速偏差,然而,可以通過(guò)非線性方程可推斷地球重力下的沉淀速度。
對(duì)于絮凝二氧化硅,速度幾乎呈線性變化,除非在較高加速度下,如果絮凝程度較低,則絮凝網(wǎng)絡(luò)結(jié)果遭到破壞。
對(duì)于水包油乳液,當(dāng)接近較高含油量的相轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí),線性行為變?yōu)榉蔷€性。
自然重力下的保質(zhì)期可通過(guò)加速離心法快速用幾個(gè)小時(shí)來(lái)測(cè)試預(yù)測(cè)出來(lái),相比于傳統(tǒng)方法用數(shù)周或數(shù)月進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定,大大提高了研發(fā)和品質(zhì)控制的效率。
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