Turbiscan测量发泡能力和泡沫稳定性

2023-02-16

摘要

泡沫体系在食品、清洁产品、卫生和健康行业中经常被应用,也常用于建筑材料(隔热和隔音、减震器)或航空航天/汽车领域的轻型材料中。另一方面,在某些情况下,泡沫是不受欢迎的子产品,必须加以限制(造纸、印刷)。由于泡沫不稳定现象的多样性,测量和分析泡沫仍然是一个挑战。本说明展示了基于SMLS的Turbiscan技术,科学地表征泡沫稳定性:泡沫高度,泡沫大小,发泡能力…


定义

泡沫,是聚在一起的许多小泡。由不溶性气体分散在液体或熔融固体中所形成的分散物系。表面活性剂吸附在气泡表面,以减少界面张力(气泡/片层),并且对起泡性、泡沫稳定性和发泡质量起重要作用。

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起泡性取决于表面活性剂的性质、浓度、连续相粘度。起泡性(产生的泡沫量)和泡沫的稳定性是两个要考虑的独立属性。泡沫失稳过程主要有三个方面:

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泡沫聚并---泡沫中分开两个气泡的薄膜破裂

奥氏熟化---由于拉氏压差的存在,最小的气泡通过液膜扩散到较大的气泡中

排水作用---液体从液膜中流走


这些现象往往结合在一起,随着时间的推移,气泡的尺寸增加,排水作用进一步促进了聚并,液体和气体之间相分离。Turbiscan®是研究泡沫精确可靠的工具,可以获得发泡过程中的泡沫高度和失稳现象随时间的变化。


仪器原理

基于静态多光散射(SMLS)的Turbiscan技术的工作原理是利用近红外光源照射样品,然后获取样品从底部到顶部整个高度的背散射(BS)和透射(T)信号。

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信号强度与粒子的浓度(φ)和大小(𝒅)有关,连续相折射率(𝒏𝒇)和分散相折射率(𝒏𝒑)为固定参数。BS和T的测量可以采用扫描方式进行,以提供稳定性和粒径测量。


应用案例

泡沫高度——一次扫描

下图显示了发泡过程(30秒)后的次扫描。只需30秒,Turbiscan就能提供有关起泡性的信息---泡沫高度以及初始气泡大小。

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区域(1):样品底部-透射光信号

透射光的信号峰对应于瓶子底部的水相


区域(2):样品的顶部和中部-背散射光信号

背散射光的信号峰来自于气泡的散射。泡沫高度很容易测量(27.4毫米)。由于已知初始液体高度,就可以很容易地确定发泡性(泡沫体积/初始液体体积)以及初始气泡大小(这里是450 μm)


泡沫稳定性——随时间多次扫描

随着时间的推移,重复扫描样品,以研究泡沫参数的演变,如气泡大小、泡沫损失、气泡合并率。下图是Turbiscan在30分钟的实验中检测到的泡沫的演变,次扫描为蓝色,最后一次扫描为红色。

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区域(1):样品底部-透射光信号

左图底部传输信号增加,对应于样品底部水相澄清度的增加,峰的宽度增加对应于分水体积的增加。


区域(2):样品中间-背散射信号

随着时间的推移,背散射信号随着气泡尺寸的增大而减小,即气泡的聚并。


区域(3):样品顶部-透射光信号

峰出现在右侧,并从右侧向左侧发展。这与泡沫破裂相对应,泡沫体积逐渐缩小,导致高度降低。


实际应用

1. 使用T-MIX模块或DNS型号直接测量发泡能力

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上表是三个表面活性剂在相同的搅拌速度下发泡能力的评价。表面活性剂A比表面活性剂B和C产生的泡沫更多。


2. 气泡直径

基于Mie理论,Turbiscan®能够计算气泡的平均直径随时间的变化,并且不需要任何样品准备。

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通过计算斜率,可以很容易地得到气泡的聚并速率:

与表面活性剂A相比,表面活性剂B和C的初始气泡大小不同(约430μm vs 630μm),泡沫质量不同。此外,表面活性剂C构成的泡沫的聚结速度最慢。

3. 泡沫稳定性和半衰期

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从上图中可以确定泡沫的初始量和泡沫损失的速度(曲线的斜率),从而很容易评估泡沫的稳定性。


注:泡沫稳定性可以用泡沫半衰期来表示。半衰期被定义为初始泡沫体积/高度的一半坍塌所需的时间,使用这种技术可以很容易地确定。


4.排水速度

随着时间的推移,底部液相逐渐增高,称为排水。通过跟踪样品底部透射峰随时间变化的厚度,可以精确而快速地测量该厚度:

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表面活性剂C产生的泡沫排水速度最慢,这必然与泡沫的初始大小和泡沫的稳定性有关。


结论

使用SMLS技术可以科学地测量起泡性,泡沫大小和泡沫稳定性。所有的数据都可以总结在雷达图中,以便比较不同的配方,选择的配方。

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表面活性剂B在所有参数上都被表面活性剂A和C所超越,可以认为是效率最低的发泡剂。对于泡沫的产生,表面活性剂A是最合适的发泡剂,它产生的泡沫量最多,但泡沫不如表面活性剂C产生的泡沫细腻和稳定。因此,为了稳定和最好的泡沫质量,表面活性剂C是的表面活性剂。


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