Turbiscan测试不稀释悬浮液的粒度分布

2024-08-19

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背景：

粒度分布（PSD）在制药、食品和饮料、化妆品和材料科学等行业中起着至关重要的作用。虽然有各种技术可用于确定颗粒粒径及其分布，然而大多数技术都需要样品有个前处理环节（如稀释、泵送或添加外部应力……），这可能会影响样品自然状态下的粒径的结果。为了强调对更多方法表征的兴趣和对自然放置状态下样品进行颗粒研究的重要性，使用TURBISCAN研究了在不同盐浓度下对TiO2的粒度分布（PSD）的影响。

TURBISCAN技术基于静态多重光散射（SMLS），包括向样品发送光源，以获取样品在原始状态下的整个高度的背散射和透射信号。通过以适当的频率重复此测量，该仪器能够在不稀释的情况下监测样品的物理稳定性。

图1. 从TURBISCAN数据到Turbisize的PSD

制备样品：

制备了两种分别为0.1%和1% wt/v的二氧化钛（TiO2 AEROXIDE® P25，来自Evonik）水溶液，并测量了不同浓度的氯化钠（NaCl）盐浓度对粒径的影响。两种不同浓度的TiO2分散水溶液+不同NaCl浓度（0%、0.1%、0.3%、0.5%和1% wt/v）。

每个悬浮液都按照以下方案进行分散：

1.分散2分钟，使溶液均匀。

2.随后使用超声波水浴再混合5分钟

3.最后，使用超声波探头再进行10分钟的超声波分散处理。

然后用TURBISCAN直接测量样品。

Turbiscan测试结果：

1. 1%wt/v的TiO2分散水溶液

悬浮液TiO2 1%和0.1%wt/v NaCl的测量结果示例见（图2）。透射光（T%-谱图上半部分）和背散射光（BS%-谱图下半部分）变化表示为随时间（6小时）变化的样品高度（单位：mm）的函数。

图2. TiO2 1%和0.1% wt/v NaCl悬浮液的沉降曲线

图形的左半部分表示样品的底部，右半部分表示样品的顶部。时间刻度上的颜色渐变对应于每次扫描时间流逝，初时刻扫描为蓝色，末时刻扫描为红色。

根据图表，确定了以下不稳定因素：

在样品底部（区域1）——背散射——图表的左侧——背散射信号随时间增加，颗粒逐渐沉积并局部改变悬浮液浓度，沉淀层随着时间的推移而逐渐形成。

2. 在样品顶部（区域3）-图表的右侧-TRANSMISSION（透射光）-透射信号的强度随高度增加，悬浮液变得不那么浓稠。对于不同的NaCl和TiO2浓度，发现了类似的沉降曲线。根据颗粒迁移情况，计算了基于体积的粒度分布。图3显示了不含NaCl的1% wt/v TiO2悬浮液的粒度分布。粒度分布测定显示单峰分布，粒径为135 nm。

图3. 水中TiO2 1% wt/v的体积粒度分布

而下图的图4则显示了在不同NaCl浓度下1% TiO2 wt/v的PSD计算。通过添加盐来增加介电离子强度，会减少TiO2颗粒之间的排斥电荷，导致其聚集，从而形成更大的颗粒，发现：

图4. 不同NaCl浓度下TiO2 1%wt/v的粒度分布

1. 平均粒径从135纳米变化到2.5µm；

2. 粒径分布PSD的形状由单峰分布和高斯分布演变为多峰分布及分配。

2． 0.1wt/v%的TiO2分散水溶液。

对样品TiO2进行了同样的分析，其浓度为0.1% wt/v，比之前的测试浓度低10倍，且也在NaCl浓度不同的情况下测试PSD。每种配方的粒度分布如图5所示。

图5. 不同NaCl浓度下0.1% wt/v TiO2悬浮液的粒度分布

比较图5中1% wt/v TiO2悬浮液和图4中0.1% wt/v TiO2悬浮液的分散结果：

没有NaCl盐时，TiO2浓度对平均粒径的影响较小（0.1% TiO2时为150 nm，1% TiO2时为135 nm）。但是，它会影响分布的形状，在更稀释的分散体中，0.1µm处会观察到一个小肩峰。

2.正如在1%浓度下的TiO2中观察到的那样，添加NaCl会导致粒径增大（从150nm到1µm）且粒径分布变宽。然而，在1%的盐浓度下，盐浓度的影响仅限于较低的盐浓度，而在0.1%的TiO2中，0.1%的NaCl就足以“饱和”TiO2表面并导致强烈的聚集。根据这项研究可知，盐对平均粒径和粒度分布的影响在很大程度上取决于TiO2的浓度。

结论

上述实验结果研究表明，不同浓度的 TiO2会对粒径产生影响。TiO2稀释到0.1% wt/v浓度时，看不到不同盐添加量的影响。而TURBISCAN无需稀释，且采用非破坏性方法，因此对于测量最终产品的代表性粒度分布（PSD）具有重要意义。TURBISIZE也可以用于与其他技术获得的结果进行关联和比较。

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