皮克林乳液的研究-分散、乳化和稳定性

介绍

化妆品、制药和食品行业正面临着对更天然产品的日益增长的需求。通常的表面活性剂不能满足这种需求：它们中的大多数是合成和非生物降解的，有些还有过敏或刺激性。所以，皮克林乳液似乎是一个不错的选择。皮克林乳液由稳定的固体颗粒作为乳化剂，允许获得更稳定，更自然，更健康的产品。为了制备这些乳液，控制分散相以避免聚集是至关重要的，因为制备过程影响着最终产品的稳定性。

本文展示了TURBISCAN DNS对颗粒分散和粒径特征的表征能力，以及在无需取样或稀释的单一实验中的乳液稳定性测量。

定义：皮克林乳液

Pickering乳液是指用固体颗粒（如粉末或聚合物）代替表面活性剂等传统乳化剂的乳液。除了比传统乳液更健康外，Pickering乳液还更加稳定。事实上，固体颗粒在液-液界面上的高吸附能构成了一个刚性屏障，防止失稳现象的发生。

然而，在这些乳液中仍然会发生重力失稳现象，如分层或沉淀。为了最大限度地减少这些现象，固体颗粒的分散步骤至关重要。事实上，粒径较小的固体颗粒的良好分散有利于获得更小液滴尺寸的乳液。因此，最终稳定性得到增强。然而，还有其他影响稳定性的参数，如颗粒的性质、油的性质或油/水比。

大多数情况下，这些乳液的分层稳定性测量都是通过目视完成的。液滴和粒径是通过光学显微镜或粒径分析仪测量的。这些方法耗时且不能进行实时动力学跟踪。使用Turbiscan DNS，在单个实验中，可以跟踪整个过程：颗粒分散、在线粒径测量和最终乳液稳定性。

TURBISCAN：工作原理

Turbiscan^®技术，基于静态多重光散射（SMLS），

该技术包括用红外光源照射样品并采集背向散射（BS）和透射（T）信号。

根据米氏理论，信号与粒子的浓度（φ）和尺寸（d）直接相关，其中（nf）和（np）是固定参数。BS和T的测量可以在扫描模式下进行，以提供均匀性和稳定性测量，也可以在非常高的频率下进行高分辨率和在线测量。测量可在不稀释的情况下进行，在浓度上达到95% V/V，粒度范围从10nm到1mm。

Turbiscan DNS具有两个模块：

T-MIX：直接在测量池内部带有搅拌叶片，适合测量颗粒分散度（混合速度高达2000rpm）。

T-LOOP：通过蠕动泵创造循环，适合在线监测，优化分散过程。

实验方法

测量是通过TLOOP模块进行的，无需稀释或取样，即可在线研究乳化过程，如下图所示。

每份乳液由4%wt的颗粒、38%wt的椰子油和58%wt的水组成。由于背散射值与颗粒尺寸直接相关，其随时间的变化与Pickering乳化效率直接相关。然后，在不进行任何稀释或样品制备的情况下，监测稳定性。

在这项研究中，测试了3种颗粒：2种不同的粘土和一种专门为Pickering乳液设计的商用二氧化硅颗粒。

结果与讨论

分散性

粘土颗粒表面带负电荷，因此颗粒相互排斥。在水中，阳离子的存在会减少排斥现象，因此粘土颗粒发生絮凝。分散是打破这些团聚物的重要步骤。事实上，粒径越小，液滴界面覆盖得越好，从而最大限度地减少不稳定。下图显示了颗粒直径（左侧为粘土，右侧为二氧化硅）随分散时间的变化。

在这里，粒径随着混合时间的推移而逐步分散。对于粘土，平均粒径随着混合时间的推移而减小，同时絮凝物的大小也减小。对于二氧化硅，则直接达到一个平稳期。

根据图3，可以确定分散10分钟和30分钟时的粒径。

伊利石（illite）颗粒观察到的尺寸差异比蒙脱石（montmorillonite）更明显。这意味着伊利石颗粒对分散时间更敏感。

对于二氧化硅（Silica），颗粒会立即分散。与粘土颗粒相比，它们的初始和最终尺寸要小得多。分散时间对这些颗粒没有影响，这些颗粒是专门为Pickering乳液功能化的。

由于粘土粒径随分散时间而变化，接下来研究了分散时间对这2种不同粘土的乳化过程的影响。

乳化

下图显示了两种粘土的平均液滴尺寸随乳化时间的变化。所有数据都是在乳化过程中获得的，没有进行任何取样或稀释。对于每种粘土，它有2个不同的分散时间（10分钟和30分钟），因此有2个不同的粒径。

对于每条曲线，乳液滴的大小随着时间的推移而减小，直到达到稳定状态。

对于样品M10和M30，即使分散后的初始粒径不同，乳液液滴的最终尺寸也是相同的。因此，对于这些颗粒，分散时间对乳化没有直接影响。

对于I10和I30，分散后的粒径差异最大，这直接影响了乳化：最小的颗粒形成最小的液滴。

稳定性

下图显示了Turbiscan在乳化18小时后观察到的样品池。橙色区域对应于光被反向散射的区域，蓝色区域对应于光被透射的区域。颜色越深，乳液越浑浊。这使得Turbiscan所观察到的失稳现象更容易可视化，也就是说，比肉眼观察更快、更明显。

I10可以观察到不同相的分离，而 和 I30仍然保持乳化状态。这证实了乳化阶段的假设：形成的液滴大小不同，导致稳定性差异很大。然而，I30上的沉降现象仍然存在，而基于蒙脱石的乳液（M10和 M30）则不存在沉淀现象。

在I30、M10和 M30的样品中，在样品池底部观察到水相，这可能是由于存在过量水。为了真正比较形成的乳液的稳定性，样品池上部的Turbiscan稳定性指数（TSI）的比较是非常重要的。TSI是一种自动计算，将所有不稳定因素加总到一个数字中，以便于一键排名和比较。因此，TSI值越高，稳定性越低。

• I10显示了最强烈和最快的失稳。

• 对于M10和 M30，没有显著差异。这与乳化过程结束时的最终液滴大小完全相关，在乳化过程结束时，获得了类似的液滴大小。分散时间对蒙脱石乳液的稳定性没有直接影响。

• 对于I30，乳化结束时液滴的尺寸最小，这种乳液预计是最稳定的。然而，从稳定性测量中我们可以观察到沉淀相。伊利石粘土颗粒没有完全覆盖界面，导致系统不稳定。

这些结果表明，粒径不是考虑Pickering乳液稳定性的参数。其他参数，如粒径分布、粒子的良好官能化或乳液的粘度，都会对最终稳定性产生影响。

结论

TURBISCAN^®DNS具有混合和在线测量功能，具备测量和监测分散过程、乳化过程和最终稳定性等功能，是研究产品制备工艺过程参数的理想工具。