分散稳定性

Nicomp® 和 AccuSizer®

配制两相分散体的一个共同目标是最大限度地提高产品的稳定性或保质期。悬浮液和乳液都是如此。粒径和表面电荷（zeta 电位）都是影响悬浮液稳定性的重要物理特性。本应用说明解释了如何使用粒径和 zeta 电位测量来提高分散稳定性。

介绍

悬浮液（固体/液体）和乳液（液体/液体）都是两相分散体的例子。溶剂是连续相，颗粒或乳液液滴构成分散相。在稳定的分散体中，分散相会随着时间的推移保持一致的粒径并保持悬浮状态。不稳定的乳液可以随着油相“乳化”到顶部而相分离，或者乳液液滴由于聚集或奥斯特瓦尔德熟化而的作用，随时间推移而增加。不稳定的悬浮液会絮凝/聚集，然后沉降到底部，如图 1 所示。

图 1. 稳定性与不稳定性

创建稳定的分散体涉及控制连续相和分散相的化学和物理性质。通过选择不同的表面活性剂和浓度、改变盐浓度、控制pH值以及所有这些因素的组合，可以优化连续相的化学性质。通过在表面添加聚合物涂层（空间稳定）、增加表面电荷（静电稳定）以及两者的结合，可以使分散相更加稳定。

当颗粒表面没有电荷时，颗粒可以足够紧密地相互接近，以至于没有屏障阻止它们聚集，从而降低分散稳定性。但是，如果表面上存在足够的电荷，粒子就会像磁铁一样相互排斥，并且永远不会足够接近以聚集，如图2所示。

图2.粒子吸引聚集（左），粒子排斥分离（右）

从测量的角度来看，使用zeta电位分析来表征表面电荷。zeta 电位是距离颗粒不远的电位，单位为 mV，如图 3 所示。 测量是通过对悬浮液施加电场并通过电泳光散射检测颗粒的运动来进行的。粒子移动的方向决定了符号（+或-），而速度决定了电荷的大小。可以通过检测频移（相位多普勒）或相移（光散射相位分析或 PALS）来分析运动。

图3.Zeta电位

zeta 电位测量的主要结果是电泳迁移率 μ，然后使用以下公式计算 zeta 电位：

zeta 电位是正电荷还是负电荷并不重要，重要的是绝对大小。较高的 zeta 电位值是稳定性高的指标。不同种类的分散体需要不同的电荷值来增强稳定性，如图4所示（仅粗略指南）。

图4.Zeta 电位稳定性指南

通过改变 zeta 电位来提高稳定性通常只对小颗粒（平均尺寸低于 1 μm）很重要，对于乳液而言，这个尺寸可能会更大。

等电点 （IEP）

分散体的等电点 （IEP） 是 zeta 电位等于零时的 pH 值 1 。这是进行 zeta 电位测量的常见原因，因为 IEP 指示可能导致分散不稳定的表面化学条件。这个概念如图 5 所示。

图5.等电点

结果：食品乳液

通过用pH 6.8至3.2的弱酸滴定来改变食品乳液的pH值。使用 PALS 技术在每个pH值下进行进行 7 次测量（施加电场 = 4 v/cm），并报告平均值。zeta 电位与 pH 值的关系图如图 6 所示。

图6.Zeta 电位与 pH 值的关系

乳液样品在pH 6.5时的粒度分布如图7所示，在pH 3.5下的粒径分布如图8所示。请注意，在较低的pH值下，液滴尺寸（302 – 496 nm）急剧增加，表明乳液正在不稳定。

图7.pH 6.5 时的粒径，zeta 电位 = -34 mV

图8.pH 3.5 时的粒径，zeta 电位 = -9.8 mV

结果：氧化锌悬浮液

购买了氧化锌 （ZnO） “纳米粉末”（Sigma Aldrich，#544906），以研究 pH 值对 zeta 电位和粒径的影响。所有样品均通过用 Igepal CA-630 非离子表面活性剂分散并使用超声探头进行 3 分钟的超声波制备.2 pH 值 6.9 和 11.2 的 zeta 电位值如图 9 和图 10 所示。请注意，即使接近零，也会产生非常稳定的 zeta 电位结果。

图 9.pH 6.9 时 ZnO 的 Zeta 电位

图 10.pH 11.2 时 ZnO 的 Zeta 电位

图11显示了粒径的变化，从单峰分布（pH 6.9时峰值为198 nm 蓝色峰）到双峰分布（pH 11.2时峰值为204和573 nm 粉红色峰）。当 zeta 电位接近零时，悬浮液不稳定并开始聚集。

图 11.pH 值为 6.9（蓝色）和 11.2（粉红色）时的 ZnO 粒径

参考

1 Entegris Application Note, Isoelectric Point (IEP)

2 Entegris Technical Note, DLS Sample Preparation