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全面表征配方的生命周期——分散、稳定性和再分散

2022-04-11

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什么是配方科学?

配方是将不同成分混合以达到预期性能的分散体系的科学。配方中的成分通常是互不兼容的,它们必须按照特定的严格程序混合,以获得均匀和持久的结构。当使用天然成分时,由于成分的一致性问题,这个任务更具有挑战性。配方工作者需要根据批次情况不断创建新的配方或重新改进现有配方,所以需要连续检测配方性能。

 

配方组成可归纳如下:

—— 液相连续相

其中水是最常用的溶剂,也包括其他种类液体。

—— 分散相

液体、固体或空气。分散相的特殊性在于它与连续相不相容。颗粒/液滴的大小可以从几纳米到1毫米,浓度范围从ppm到95%。

—— 稳定剂

表面活性剂一直是最常用的稳定剂。它是配方的关键成分之一。其对于控制分散、达到理想的颗粒尺寸和保持“稳定”的配方至关重要。如今,取决于具体应用,一个配方中的稳定剂种类可能是非常多的。在最近的研究热点中,学者正在使用新的聚合物和生物聚合物,蛋白质,甚至其他颗粒作为稳定剂。

—— 添加剂

用于调整配方的次要属性,但对于用户的感官(粘度,气味,颜色,纹理…)至关重要。这些添加剂需要与连续相、分散相或界面有亲和力。

 

配方可以包含超过50种不同的成分,精心调整成分是获得高质量配方的关键。在开发阶段,还要考虑工艺、包装和分配、储存条件和使用条件,这个配方需要不断调整以适应所有这些外部条件。

 

配方表征的步骤

在颜料,电子浆料,化妆品,食品或药物等行业中,根据配方的生命周期,这3个关键步骤需要被表征:分散性、稳定性和再分散性。

分散性好配方的基础

分散性是连续相将颗粒均匀的分散在整个体积中并且保持他们的初始粒径的能力。它是好的配方的基础,并且有以下影响因素:

 

- 溶剂与颗粒的亲和力

- 连续相和稳定剂之间的相互作用

- 稳定剂和颗粒之间的相互作用

- 稳定剂在界面的覆盖率

- 制备过程:搅拌工具、时间和混合速度

 

分散性差将对最终产品的性质产生重大影响,因为颗粒/液滴的大小和均匀性将影响整体稳定性。例如油墨颜色的持久性,CMP浆的抛光效率,食品调味乳剂的口味等都受到分散性影响。

 

Turbiscan可通过分散度(Dr)评价悬浮体中颗粒的分散情况,可以对样品的分散过程进行监测,从而显著节省开发和决策过程中的时间。

稳定性和货架期

良好分散的颗粒可以在货架期内保持在需要的粒度范围内。这样,稳定性就是下一个重要的参数。稳定性是指配方在储存和使用条件下,在给定的时间内保持分散状态的能力。大多数配方在热力学上是不稳定的,随着时间的推移,必然会发生不稳定。失稳现象多种多样,根据成因不同,可分为两大类:

 

-粒径增加

絮凝-聚结,聚并,奥氏熟化

-粒子迁移

沉淀、上浮、相转变、相分离

 

从热力学角度讲,“稳定”的配方并不存在(除了微乳液)。然而,在给定的时期内,一定程度的不稳定(肉眼不可见)是可以接受的。可接受的变化和"时间范围"取决于最终的应用,从几分钟(吸入器、疫苗……)到几年(化妆品或油漆……)不等。因此,需要不断监测和量化发生现象的程度。这可以使用Turbiscan稳定性指数TSI来完成,该指数基于失稳程度来量化和评价稳定性。

再分散——用前摇一摇

某些产品的不稳定现象是不可避免的,但是却是可逆的。例如油漆、注射药物、乳制品饮料等配方都需要在使用前摇匀。这时就有了在分散的问题。

 

- 手动晃动是否足以重新分散配方?

- 要摇多长时间?

- 使用什么方法:搅拌、摇动、混合、还是超声波水浴?

- 配方能否恢复其初始分散状态?

 

一旦样品再分散成功,配方就会回到初始状态。这时我们可以在新的配方生命周期内,继续反复研究分散、稳定性、再分散问题,在配方的不稳定现象变为不可逆之前(以及在何种存储条件下),该配方可以支持多少这样的“再分散”?

 

TURBISCAN ——全面表征稳定性

Turbiscan®技术是配方表征最完整的解决方案:从分散性、平均粒径、稳定性定量和监测,到再分散研究。


分散性和颗粒大小测量仅需要30秒,无需稀释或样品制备,可搭配在线测量模块。


稳定性测量的特点是比肉眼快200倍,并提供了对失稳机制、稳定性评价和相对稳定性预测的充分理解。


再分散性可以被科学的表征,从而指导完全再分散所需的混合能量和时间。

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