【DWS】擴散波光譜法在的乳膠老化上的應用︰奧斯華粗化機制

Aging of an Emulsion followed by DWS Sizing: Ostwald Ripening Mechanism

前言

擴散波光譜法（Diffusing Wave Spectroscopy，簡稱DWS），是一種先進的光散射技術，可以用來探測粒子在濃稠懸浮液、乳膠和泡沫…等混濁膠體介質（colloidal media）中的運動狀況[1]。經由稱為微流變學的方法[2]，可以從粒子的運動得到週遭介質的流變特性，以及關於粒徑大小的訊息[1,3,4]。擴散波光譜技術確實可以提供固體粒子（solid particles）或液體微滴（liquid droplets）在濃稠懸浮液或乳膠中的平均流體力學半徑R_h，（請參考[3]以及我們的技術文件【利用擴散波光譜法進行粒徑分析】），泡沫中氣泡的直徑也可以被估算[4]，於是，擴散波光譜技術可以監測粒子在分散劑老化的過程中粒徑大小的進展[4,5]。奧斯華粗化（Ostwald ripening）是一個常見的老化過程，它通常發生在乳化生命週期的早期階段，產生分散相局部溶解於連續相[6]，因為表面張力的關係，使得較小的微滴比較大的微滴更不穩定，分散相接著經由連續相從較小的擴散成較大的微滴，這導致微滴的平均尺寸會隨著時間而增加，如圖一所示。

上圖為奧斯華粗化機制。油（為分散相）擴散到水中（連續相），由較小的變成較大的微滴。

當過程是受擴散控制的時，微滴半徑會隨著時間軸（t^1/3）增加而增加[7,8]。在此應用實例中，我們利用DWS RheoLab II監測油微滴分散在水中的平均流體力學半徑R_h，在初始過渡期之後，我們觀察到，受擴散控制的奧斯華粗化（diffusion-controlled Ostwald ripening）成為決定乳化液老化速度的機制。

樣品製備

利用機型為UP200H 的德製超音波探針，將十二烷（dodecane）在含有80 mmol/L正十二烷硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate）體積百分率為13%的水溶液中，以全功率，以每秒產生0.3秒脈衝的方式，進行10分鐘的乳化，接著如圖二所示，將此乳化液注入置於DWS RheoLab II儀器中內徑為10mm的玻璃光析管中，並將溫度設定在22℃，儀器每5分鐘進行流體力學半徑Rh的測定，在整個實驗過程中樣品持續放置在儀器中。

結果與討論

圖三顯示透過DWS RheoLab II量測平均流體力學半徑Rh隨時間變化的關係圖，為了清楚起見，水平X軸用t^1/3表示，R_h的數值是以每時間間隔為Δt^1/3 = 2.5 s^1/3的平均，並以「■」來表示，垂直軸的誤差線（error bars）代表黑色方塊的標準偏差，時間間隔區塊大小的選擇並不會改變結果。

上圖為透過DWS RheoLab II量測油微滴在濃稠乳化液中流體力學半徑Rh隨時間變化的演進。直線的部分是由實驗數據經曲線擬合而得。

利用DWS RheoLab II在乳化後瞬間所測到的第一個R_h數值是R_h = 152 nm，我們注意到，這與將乳化液用跟原始乳化液相同的水相稀釋後的樣品，採用動態光散射法的3D LS Spectrometer所測到的數值相同。在8小時過渡階段之後，R_h和t^1/3關係曲線圖開始成向上的線性關係發展，這個特性可以持續被觀察到第四天，這與上面所描述的受擴散控制的奧斯華粗化過程一致。

結論

利用DWS RheoLab II可以準確地監測油微滴分散在濃稠乳化液中隨時間變化的平均流體力學半徑Rh，我們已經進一步證實，在初始過渡期之後，受擴散控制的奧斯華粗化成為決定乳化液老化速度的機制。研究結果突顯DWS RheoLab II在描述乳化液的老化及穩定特性上是非常有價值的工具。

參考文獻

• D.A. Weitz, and D.J. Pine, Diffusion Wave Spectroscopy. In Dynamic Light Scattering; Brown, W., Ed.; Oxford University Press: New York, 652 (1993)
• T.G. Mason, D.A. Weitz, Optical Measurements of Frequency-Dependent Linear Viscoelastic Moduli of Complex Fluids, Physical Review Letters 74, 1250 (1995)
• F. Scheffold, Particle sizing with DiffusingWave Spectroscopy, Journal of Dispersion Science and Technology23, 591 (2002)
• D.J. Durian, D.A. Weitz, and D.J. Pine, Scaling behavior in shaving cream, Physical Review A44, R7902(R) (1991)
• Y. Hemar, and D. S. Horne, A diffusing-wave spectroscopy study of the kinetics of Ostwald ripening in protein-stabilised oil/water emulsions, Colloids and Surfaces B12, 239 (1999)
• V. Schmitt, and F. Leal-Calderon, Measurement of the coalescence frequency in surfactant-stabilized concentrated emulsions, Europhysics Letters 67, 662 (2004)
• I.M. Lifshitz, and V.V. Slyozov, Kinetics of diffusive decomposition of supersaturated solid solutions, Journal of Experimental and Theoretical Physics35, 331 (1959)
• C. Wagner, Theory of the aging of precipitates by dissolution-reprecipitation (Ostwald ripe-ning), Zeitschrift für Elektrochemie65, 581 (1961)
• Aging of an Emulsion: Ostwald Ripening Mechanism

關鍵字詞

• DWS, Diffusing Wave Spectroscopy︰擴散波光譜法
• Ostwald Ripening Mechanism︰奧斯華粗化機制
• Rh, mean hydrodynamic radius︰平均流體力學半徑
• Liquid droplets︰液體微滴
• DLS, Dynamic light scattering︰動態光散射法
• Aging︰老化
• Experimental points︰實驗點