2024-09-07
背景：
粒度分布（PSD）在制藥、食品和飲料、化妝品和材料科學等行業中起著至關重要的作用。雖然有各種技術可用于確定顆粒粒徑及其分布，然而大多數技術都需要樣品有個前處理環節（如稀釋、泵送或添加外部應力……），這可能會影響樣品自然狀態下的粒徑的結果。為了強調對更多方法表征的興趣和對自然放置狀態下樣品進行顆粒研究的重要性，使用TURBISCAN研究了在不同鹽濃度下對TiO2的粒度分布（PSD）的影響。
TURBISCAN技術基于靜態多重光散射（SMLS），包括向樣品發送光源，以獲取樣品在原始狀態下的整個高度的背散射和透射信號。通過以適當的頻率重復此測量，該儀器能夠在不稀釋的情況下監測樣品的物理穩定性。
圖1. 從TURBISCAN數據到Turbisize的PSD
制備了兩種分別為0.1%和1% wt/v的二氧化鈦（TiO2 AEROXIDE® P25，來自Evonik）水溶液，并測量了不同濃度的氯化鈉（NaCl）鹽濃度對粒徑的影響。兩種不同濃度的TiO2分散水溶液+不同NaCl濃度（0%、0.1%、0.3%、0.5%和1% wt/v）。
每個懸浮液都按照以下方案進行分散：
1.分散2分鐘，使溶液均勻。
2.隨后使用超聲波水浴再混合5分鐘
3.最后，使用超聲波探頭再進行10分鐘的超聲波分散處理。
然后用TURBISCAN直接測量樣品。
懸浮液TiO2 1%和0.1%wt/v NaCl的測量結果示例見（圖2）。透射光（T%-譜圖上半部分）和背散射光（BS%-譜圖下半部分）變化表示為隨時間（6小時）變化的樣品高度（單位：mm）的函數。
圖2. TiO2 1%和0.1% wt/v NaCl懸浮液的沉降曲線
圖形的左半部分表示樣品的底部，右半部分表示樣品的頂部。時間刻度上的顏色漸變對應于每次掃描時間流逝，初時刻掃描為藍色，末時刻掃描為紅色。
根據圖表，確定了以下不穩定因素：
在樣品底部（區域1）——背散射——圖表的左側——背散射信號隨時間增加，顆粒逐漸沉積并局部改變懸浮液濃度，沉淀層隨著時間的推移而逐漸形成。
2. 在樣品頂部（區域3）-圖表的右側-TRANSMISSION（透射光）-透射信號的強度隨高度增加，懸浮液變得不那么濃稠。對于不同的NaCl和TiO2濃度，發現了類似的沉降曲線。根據顆粒遷移情況，計算了基于體積的粒度分布。圖3顯示了不含NaCl的1% wt/v TiO2懸浮液的粒度分布。粒度分布測定顯示單峰分布，粒徑為135 nm。
圖3. 水中TiO2 1% wt/v的體積粒度分布
而下圖的圖4則顯示了在不同NaCl濃度下1% TiO2 wt/v的PSD計算。通過添加鹽來增加介電離子強度，會減少TiO2顆粒之間的排斥電荷，導致其聚集，從而形成更大的顆粒，發現：
圖4. 不同NaCl濃度下TiO2 1%wt/v的粒度分布
1. 平均粒徑從135納米變化到2.5µm；
2. 粒徑分布PSD的形狀由單峰分布和高斯分布演變為多峰分布及分配。
對樣品TiO2進行了同樣的分析，其濃度為0.1% wt/v，比之前的測試濃度低10倍，且也在NaCl濃度不同的情況下測試PSD。每種配方的粒度分布如圖5所示。
圖5. 不同NaCl濃度下0.1% wt/v TiO2懸浮液的粒度分布
比較圖5中1% wt/v TiO2懸浮液和圖4中0.1% wt/v TiO2懸浮液的分散結果：
沒有NaCl鹽時，TiO2濃度對平均粒徑的影響較小（0.1% TiO2時為150 nm，1% TiO2時為135 nm）。但是，它會影響分布的形狀，在更稀釋的分散體中，0.1µm處會觀察到一個小肩峰。
2.正如在1%濃度下的TiO2中觀察到的那樣，添加NaCl會導致粒徑增大（從150nm到1µm）且粒徑分布變寬。然而，在1%的鹽濃度下，鹽濃度的影響僅限于較低的鹽濃度，而在0.1%的TiO2中，0.1%的NaCl就足以“飽和"TiO2表面并導致強烈的聚集。根據這項研究可知，鹽對平均粒徑和粒度分布的影響在很大程度上取決于TiO2的濃度。
結論
上述實驗結果研究表明，不同濃度的 TiO2會對粒徑產生影響。TiO2稀釋到0.1% wt/v濃度時，看不到不同鹽添加量的影響。而TURBISCAN無需稀釋，且采用非破壞性方法，因此對于測量最終產品的代表性粒度分布（PSD）具有重要意義。TURBISIZE也可以用于與其他技術獲得的結果進行關聯和比較。
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