分散体的稳定性和表征方法
1，分散体的概念和分散体的稳定性
1,1 分散体
把一种或几种物质分散在另一种物质中构成的体系，称为分散体(Dispersion)。其中:被分散的物质称为分散相(Dispersed phase);分散的介质(Dispersing medium)称为连续相(Continuous phase)。分散相中的颗粒如果是固体颗粒(Solid particle)，该分散体则统通常被称为悬浮液(Suspension); 分散相中的颗粒如果是液滴(Droplet)，该分散体则统通常被称为乳液或乳浊液(Emulsion)。
现实生活中的分散体可能是非常复杂多样的，例如牛奶这种经典的分散体，分散相中的颗粒形态既有蛋白质固体颗粒，又有脂肪液滴，遂也可以称为悬浮乳液(Suspension-emulsion)；例如化妆品乳液中又经常可以分类为水包油乳液(O/W)，油包水乳液(W/0)，水包油包水(W/O/W)双重乳液等等。随着研发技术和工艺的发展，还有越来越多的人开始研究纳米分散体(Nano dispersion)，皮克林分散体(Pickering dispersion)，液晶乳液(Liquid crystal emulsion)等复杂分散体。
1,2 分散体的稳定性
分散体的稳定性是指分散体保持其初始状态性质或状态不随时间改变的能力。即在一定时间内，分散体的品质没有发生改变。
1,3 分散体失稳的现象
1,3,1 沉降(Sedimentation)
由于分散相颗粒密度大于连续相密度产生的分散相的向下迁移沉淀(分离)的现象。分散相在容器底部的累积证明沉降发生。
1,3,2 上浮(Floatation/Creaming)
由于分散相颗粒密度小于连续相密度，分散相颗粒向液态连续相顶部迁移的现象。其中固体颗粒的上浮通常也被成为漂浮(floatation)，液滴颗粒的上浮通常也被成为乳状上浮(creaming)。
1,3,3 相分离(Phase separation)
宏观均匀的分散体如悬浊液、乳液或泡沫分离成两个或多个相的现象。
1,3,4 团聚(Agglomeration)
分散体中分散相的颗粒（固体颗粒或液滴）聚集成团，形成二维的颗粒簇，称为团聚物，这个过程称为团聚。
1,3,5 絮凝(Flocculation)
絮凝是团聚的一种形式，分散体里的颗粒由弱物理作用力聚集在一起，一般是由颗粒之间的范德华引力大于双电层斥力引起形成松散的内聚结构。
1,3,6 聚并(Coalescence)
两个颗粒接触时边界消失（通常是液滴或气泡，不存在于固体颗粒），或者在一个颗粒与较大的颗粒间发生形状改变导致总面积减少的现象。
1,3,7 奥斯特瓦尔德熟化(Ostwald ripening)
小颗粒溶解在较大颗粒的表面重新沉积的过程。此过程发生的原因是较小颗粒有较高的表面能，有较高的总Gibbs自由能，因而有明显的较高溶解度。
1,3,8相反转(Phase inversion)
由体系的特性、体积比及能量输入所导致的液-液分散体（乳液）的相转变的现象，即分散相自发地变成了连续相，反之亦然。例如水包油乳液（O/W）相反转成为油包水（W/0）乳液。
Fig.1-1 分散体的失稳现象
Instability of dispersion
1,4 影响分散体稳定性的因素
分散体状态的改变取决于复杂的物理化学因素。分散相的状态（密度，粒度和分布，粒形，颗粒表面结构等），连续相的状态（密度，溶解度，pH，粘度，表面张力，流变行为等），颗粒的相互作用（排斥，吸引，流体动力学等），分散相和连续相的相互作用（润湿性，界面张力，流变学等），分散相的体积浓度等，都会影响一个分散体的稳定性。
1,5 分散体的稳定性和产品设计
产品设计者须根据产品的实际应用场景或客户对符合产品规范及分散体充分稳定的需求进行配方调控。为此产品设计者需选择好分散体的状态（如：粒径分布，形状，密度匹配，对超大尺寸颗粒的限制，表面电荷和表面包裹）以及适合的连续相行为。对于分散体的稳定性，颗粒-颗粒间以及分散相-连续相间的相互作用非常重要。传统上，主要应用静电稳定原理。现在，随着创新产品的涌出（例如常用聚合物添加剂以使连续相适应其产品需求），静电稳定，空间位阻或静电位阻稳定，或其组合变成更常用的方法。这些方法的理论基础是经典的DLVO 理论(Derjaguin, Landau, Verwey, Overbeek)和近来进一步扩展的DLVO理论。应该强调的是，当今产品常含有数种分散相，其连续相也可能含有数种成分，产品设计将会变得更为困难。
由于这些分散体的复杂结构，由单一参数来表征和预测分散体状态的稳定性是远远不够的。选择合适的仪器来表征分散体产品的稳定性将会在产品设计过程中的原料筛选，配方调控，工艺优化等环节起到至关重要的作用。
Fig.1-2 静电位阻
Electrostatic and potential resistance
2，分散体稳定性表征的方法
2,1 LUM稳定性测试原理
LUM系列稳定性分析仪器使用近红外光源（或多光源系统）照射样品整体，相比于传统的光谱只能读取样品某个点位置的消光度/透光度信息，LUM运用全球专利的STEP技术（Space and Time Resolved Extinction/Transmission Profiles）可以单次就记录整个样品管所有位置的消光率/透光率信息。并且可照射样品的同时，设置任意长度的光源照射时间间隔（最低1秒），由此可以实现样品消光率/透光率随时间变化的实时监测。
对于较不稳定的分散体（如低温酸奶，冷链饮料，原油，浆料等），在若干小时或者若干天就能出现较为明显的失稳现象，可以利用LUMiReader静置（1g）系列的稳定性分析仪来进行实时监测和表征；对于较为稳定的分散体（如常温乳品和饮料，化妆品，涂料，脂肪乳剂等），在若干月甚至若干年才能观察到较为明显的失稳现象，可以利用LUMiFuge或者LUMiSizer离心加速（6-2300g）系列的稳定性分析仪来进行加速测试和表征。
无论是LUM的静置还是加速系列的稳定性分析仪，专利的STEP技术（Space and Time Resolved Extinction/Transmission Profiles）都可以得到完整样品在任意空间和时间的透光率信息，形成独特的透光率指纹图谱。由这些特征的指纹图谱，不仅可以定性分析样品分离失稳的过程和变化，还可以对样品的稳定性/不稳定性指数，样品分层情况，颗粒迁移速度，颗粒的粒径和分布等进行定量分析。
LUM仪器还可以实现多样品测试，最多可以同时测试12个样品，实现高通量高效的测试需求。此外，仪器配备温度控制模块，4-80℃的温控范围可以满足常规的稳定性测试的温度需求。
Fig.2-1 LUMiReader静置稳定性分析仪
Real-time Stability analyzer
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Fig.2-2 LUMiFuge/ LUMiSizer离心加速稳定性分析仪
Accelerated Stability analyzer
2,2 Stokes定律
v – 颗粒移动速度
△ρ – 两相的密度差
η– 连续相动态粘度
r – 粒径
a – 颗粒浓度
xg –相对重力加速度（LUMiReader=1g，LUMiFuge/LUMiSizer=5-2300g）
由Stokes定律可知，分散相和连续相的密度差，分散相颗粒的粒径，连续相的粘度，颗粒浓度等因素都会影响体系里颗粒的迁移速率，最终影响分散体的稳定性。Stokes定律适用于重力场和离心场。
2,3 LUM透光率指纹图谱(Transmission profile)
Fig.2-3 样品静置测试的透光率指纹图谱
图2-3是某样品在静置测试下的透光率图谱。样品管在仪器里竖直放置，遂纵坐标对应样品管的位置刻度；横坐标对应透光率数值。红色谱线为初始谱线，绿色谱线为实验66h结束后的谱线。我们可以发现，该样品随着实验的进行，底部的透光率逐渐升高，意味着样品里的颗粒发生了上浮（向上迁移）。同时观察样品管实验前后的状态，我们也可以发现该样品确实在底部出现了变澄清的过程。
Fig.2-4 样品离心加速测试的透光率指纹图谱
图2-4是某两个样品在离心加速测试下的透光率图谱。样品管在仪器里平躺放置，遂横坐标对应样品管的位置刻度；纵坐标对应透光率数值。红色谱线为初始谱线，绿色谱线为实验结束后的谱线。我们可以发现，这两个样品随着实验的进行，顶部的透光率逐渐升高，意味着样品里的颗粒发生了沉降（向下迁移）。同时对比样品管实验后的状态，我们也可以发现这两个样品确实在顶部出现了变澄清的过程。两外，尽管这两个样品都是沉降的过程，左边的样品有明显的界面（或称之为区域沉降），对应的透光率图谱的斜率也是陡峭的形态；而右边的样品没有明显的界面（或称之为多分散沉降），对应的透光率图谱的斜率也是平缓的形态。
由此可见，LUM仪器可记录样品的透光率随时间变化的过程，并直观地反应在指纹图谱中，产品设计者由此可以分析判读出分散体详细的失稳过程，从而进一步进行样品间稳定性的比较。
2,4 不稳定性指数(Instability index)
产品的透光率变化越剧烈意味着样品越不稳定。LUM稳定性分析系列仪器通过配套的SEPView分析软件，可以直接将产品的透光率随时间的变化计算量化成不稳定性指数(Instability index)，从而可以定量比较样品间的稳定性。由此可帮助产品设计者有效快速地筛选和优化配方，大大地缩短研发周期。还可对原料进行控制和筛选，对均质和出料等工艺条件进行优化改善，为质检提供快速便捷的方法。
图2-5展示了同一配方的某分散体，采用不同的工艺控制过程后制备的样品，在LUMiSizer加速稳定性分析仪中测试所得的透光率指纹图谱以及对应的不稳定性指数(Instability index)。
Fig.2-5不同工艺处理对相同配方的稳定性的影响
（LUMiSizer: 328g, 20°C, 15 h）
2,5 界面追踪(Front tracking)
除了从不稳定性指数的角度量化产品的稳定性，产品设计者往往还会考虑产品分层的过程。LUM稳定性分析系列仪器通过配套的分析软件，还可以实时追踪产品界面位置随时间的变化，从而可以量化给出产品分层的速率。由此可以进一步对分散体产品进行稳定性的综合表征。
图2-6展示了为某产品选择不同添加剂后，在LUMiSizer加速稳定性分析仪中测试所得的界面位置随时间的沉降过程以及对应的界面沉降速率。
Fig.2-6 不同种类添加剂对样品界面沉降的影响
（LUMiSizer: 2300g, 40°C, 2 h）
图2-7展示了为某产品选择不同添加量的破乳剂后，在LUMiSizer加速稳定性分析仪中测试所得的界面位置随时间的上浮过程以及对应的界面上浮层的高度。
Fig.2-7 不同添加量的破乳剂对样品界面上浮的影响
（LUMiSizer: 2300g, 35°C, 1 h）
2,6 颗粒表征(Particle characterization)
除了稳定性表征外，LUM的部分仪器还选配了粒度检测模块，用于测量颗粒的粒度和分布。由于粒度分析这一块在本书的其他章节做了详细描述，固不再赘述。
3, LUM稳定性分析仪的应用场景
LUM系列稳定性分析仪广泛应用于食品，化学品，个人护理品，涂料，墨水，电子浆料，纳米材料，生物医药等各类分散体系产品的原浓度快速稳定性分析和定量排序。相比于传统的温箱储存数月（储存法），再进行肉眼比较的方法来说，LUM仪器大大缩短了测试和分析的时间；相比于表征样品中某一特定指标的参数变化（间接法），例如粒度，粘度等，LUM系列稳定性分析仪更着重于样品的所有参数综合影响的最终稳定性的表现。
样品的透光率指纹图谱中包含了样品失稳过程的定性信息，产品设计者可以分析出颗粒的沉降，上浮，团聚和絮凝，聚并，转相，奥斯特瓦尔德熟化等各类失稳过程的信息，还可进一步对特定产品，观察网状结构，破乳行为的研究等。结合丰富的软件分析模块，还可以为产品的稳定性进行快速和综合的量化，进而还能为货架期的比较和预测提供良好的数据支持。
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