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喷雾液滴的形成原理与配方设计:动态表面张力与粒径的关系

招财猫开奖网站 www.betterbodygear.com 来源:日用化学品科学 浏览 193 次 发布时间:2024-03-25

制备个人护理应用方面的喷雾产品对于配方师来说是个很大的挑战。产品要求在雾化容易的同时,最佳尺寸范围的乳化液滴要确保足够数量在目标区域上的沉积,但也需避免形成小液滴(小于100μM)来减小喷射漂移。后者对使用者来说也是一种潜在的危险(小液滴可能会导致吸入口中),也可能造成喷射产品的效能降低。


为了满足以上的需求,喷射乳液的配方必须保证符合以下的标准:1.最合适的液滴尺寸分布,确保在目标区域上的最大沉积和附着,而且无漂移现象;2.在目标区域表面的良好涂布性和肤感。以上两个标准要求表面活性剂在气/液界面迅速吸附(降低动力学表面张力)。然而,这个表面张力不能低于临界值,从而可以防止乳化液滴尺寸过小而产生漂移。


喷雾液滴的形成原理


在喷射过程中,液体被压经喷嘴,并在静力学压力下形成液滴。高于某个静力学压力值,液体通过喷嘴形成连续喷射,而后分散成小液滴。这个连续喷射,而后分散成小液滴的过程是受到表面压力的结果。球形的表面积和它的表面自由能(表面积×表面张力)小于其他对称体。因此,少量的其它形状的液滴将会形成更小的球形液滴。


动态表面张力与粒径的关系


表面活性剂和聚合物对于喷雾液滴尺寸分布的影响,在于他们对于表面张力的影响,表面张力一定程度上推动着雾化的产生。因为表面活性剂降低了水的表面张力,会形成粒径更小的液滴。配方中含表面活性剂,帮助降低表面张力,其雾化所需要的能量比不含表面活性剂的产品要少。因此,同样的能量输入,会得到更小尺寸的液滴。然而,实际情况并不是这样简单。在雾化的过程中,会不断形成新液体的表面。这种溶液的表面张力,依赖于形成新界面的时间与表面活性剂从溶液内部迁移到气/液表面的吸附速度和扩散速度。如果形成新界面的时间比表面活性剂扩散和吸附的速度快,那么喷雾液体的表面张力不会比纯水大很多,会形成大尺寸液滴。相反,如果形成新界面的时间比表面活性剂吸附的速度慢,那么喷雾液体的表面张力会进一步降低,形成较小的液滴尺寸。

图1显示两个不同表面活性剂体系A和B在不同吸附速度下,随时间t而变化的表面张力γ,也可以叫作动态表面张力。这些曲线可以通过使用KRüSS最大气泡压力法来测量。气泡在表面活性剂溶液中以不同的频率形成,控制气泡形成的时间并且测量气泡中所产生的最大压强,可以得到不同时间下的表面张力。在短时间内,观察到表面活性剂体系B比A的体系所带来的表面张力更小。


许多体系的动态表面张力和时间对数的曲线可分为4个阶段:诱导区、表面张力快速下降区、介平衡区和平衡区。在诱导区,由于吸附在界面层上的助剂质量浓度太低,溶液的表面张力较大;随着助剂大量被吸附到溶液表面,表面张力急剧降低,就形成了快速下降区;而随着溶液表面助剂分子的积累,吸附接近饱和时吸附速度变慢,就形成了介平衡区;足够长的时间后当表面吸附达到饱和体系进入动态平衡阶段表面张力达到平衡,此即为平衡表面张力。表面活性剂种类和质量浓度不同,其溶液体系达到上述各阶段所需时间不同,表现为各溶液体系间动态表面活性的差异。


从线性相关性关系的角度上来说,时间指标越小,动态表面张力与雾滴指标之间的关系越倾向于线性状态,可以通过测试表面活性剂体系的动态表面张力来优化雾滴尺寸和粒径。传统意义上采用静态表面张力为指标研究雾滴形成的方式并不合理,在有关喷雾的实践工作过程当中,选取动态表面张力作为研究指标有着更为显著的优势。

图2.动态表面吸附曲线图


动态表面张力与粒径关系的示例

图3.不同表面活性剂溶液的动态表面张力曲线

表1.不同表面活性剂溶液的粒径分布


从图3和表1示例曲线可以明显看到,可以通过控制动态表面张力来优化雾滴的粒径,张力在一定时间内下降的越快,雾滴粒径越细腻。为了避免雾滴尺寸过小而产生雾滴的漂移,可以将表面活性剂的张力调控在一定范围。


在实际生产中,喷头尺寸、喷雾压力也是改变喷量、雾滴粒径的重要手段之一。本文仅讨论了动态表面张力的改变对喷雾粒径的影响,期望能为配方设计工作者提供合适的思路。