泡沫、乳剂和悬浮液的膨胀流变学

Attension Theta Flex和脉动降模PD-200

乳剂和泡沫在食品等重要产品中起着关键作用¹、制药²和采油配方^3.．这些产品的稳定性对其性能和保质期起着关键作用。表面活性剂、蛋白质和聚合物等两亲分子是这些乳剂和泡沫的关键成分。这些分子将优先以特定的方向吸附在气-液或液-液界面上，使其自由能最小。在它们的存储和消费过程中，这些材料会相互流动，并不断改变其界面的大小和形状。研究这些分子对外部变形和刺激的反应称为界面流变学。

在动态过程中，含有表面活性分子的液滴会膨胀和收缩。随着液滴表面积的变化，吸附在气-液或液-液界面上的分子数量也会发生变化。这些两亲分子的亲水头会朝向水或极性液体，疏水尾会朝向空气或油相。这种变化的速度表明了泡沫或乳剂的稳定性。例如，如果表面活性剂分子迅速到达界面，就会减少一个液滴与附近另一个液滴合并的机会，从而增加稳定性。

图1:表面活性剂在气-液系统(左)和油-水系统(右)中的自发迁移示意图

在乳液的相分离中，这种行为的一个常见例子是沙拉酱，它是由油相和水相组成的乳液，含有水、醋、盐和香料等可混溶物质。多糖通常用于这些敷料作为乳化剂和稳定剂，以防止相分离⁴．人们可以比较意大利奶油酱，传统意大利酱，和油和醋的基本组合之间的区别，看看在这些配方中添加乳化剂是如何影响液滴形成的。经过摇晃后，乳化良好的意大利奶油酱会在几天内保持相对均匀的外观，传统的意大利酱会在几分钟内显示明显的分离迹象，而未乳化的油和醋的混合物几乎会立即分离。

图2:混合均匀(左)和相分离(右)的沙拉酱

膨胀界面流变学是一种测量乳液和泡沫稳定性的方法，其中界面以可控的方式膨胀和收缩。在这种技术中，一个光学张力计被用来测量悬滴。液滴然后用一个压电泵脉冲，以一定的频率改变其体积。垂滴测量通常用于测量液体的表面张力，在这种情况下，表面张力的变化是其面积变化的函数。测量了液滴变化的驱动力与其实际响应之间的差异。以下三个方程描述了不同的参数⁵：

式中，A为液滴面积，γ为表面张力，|E|为复表面膨胀模量，E '为弹性(储存)模量，E "为粘性(损失)模量，δ为表面张力与液滴面积结果之间的相移。总的来说，表面活性剂体系的表面积和表面张力之间相移越小，系统的弹性越好，而相移越大，系统的粘性越强。

图3:样品膨胀流变学数据，显示面积和表面张力作为时间的函数

PD-200脉动液滴模块是Theta Flex仪器的附件，该仪器使用一个压电泵来驱动液滴体积。用户可以指定下降的波形、频率和幅度。首先形成一个垂悬液滴，然后由压电泵根据输入参数对液滴体积进行振荡。OneAttension软件的图像识别动态监测表面张力特性。测量可以自动化，在多个频率上提供一键测量。实验完成后，只需选择要分析的数据，即可计算方程1、2和3中的变量，并填充结果列表，如图5所示。关于膨胀流变学在质量控制中的实际应用，请参阅这里提出的研究:“界面流变学如何取代液滴微流体中低效的乳液表征”。

观看我们关于界面流变学的网络研讨会:从乳液稳定性到肺表面活性剂

图4:配备PD-200的Theta Flex系统

图5: OneAttension中的膨胀流变学数据分析视图，在不同频率下分析多个测量值