Высокоточное аналитическое оборудование
(отдел продаж)
(сервисный отдел)

Динамический анализ дзета-потенциала Эпизод 1: применение в уходе за текстилем

Динамический анализ дзета-потенциала

Ключевые слова: добавки, моющие средства, смягчители, ароматизаторы, адсорбция, дзета-потенциал, Litesizer 500, SurPASS 3.

Современные средства для стирки текстильных изделий должны не только очищать текстильную ткань, но и наносить смягчитель или ароматизатор. Сложные рецептуры требуют детального понимания взаимодействия различных добавок друг с другом и с поверхностью ткани. Анализ дзета-потенциала дает представление об обоих этих явлениях.

1 Вступление

Сочетание ароматизаторов и смягчителей тканей в высококачественных средствах для стирки стало важным требованием при уходе за текстилем. Композиции смягчителей содержат катионные соединения, такие как комплексное поверхностно-активное вещество с четвертичной аммониевой группой. Ароматизаторы по своей природе летучи и нуждаются во временной защите. Микрокапсулирование — это обычная стратегия для временного улавливания и контролируемого высвобождения ароматизаторов.

Наличие нескольких компонентов в рецептуре требует более детального понимания их поведения, такого как комплексообразование и конкурентная адсорбция на поверхности материала. Анализ дзета-потенциала в жидкой фазе (суспензия частиц или эмульсия) и на границе раздела твердое тело-вода дает ценную информацию для лучшего понимания таких явлений. Электрофоретическое рассеяние света (ELS) для коллоидных дисперсий и измерение потенциала потока (SPM) для макроскопических твердых тел являются экспериментальными подходами к дзета-потенциалу.

Дзета-потенциал представляет собой заряд, который возникает на поверхности материала при контакте с жидкостью. Анализ дзета-потенциала чаще всего применяется для оптимизации рецептуры [1], для оценки стабильности или коагуляции дисперсии [2], для изучения полимерных мембран для очистки воды [3], металлических имплантатов, контактирующих с физиологическим буфером [4], или антиадгезионных покрытий для биомедицинских устройств [5]. В дополнение к стандартному анализу дзета-потенциала кинетика взаимодействия между растворенным веществом и твердой поверхностью контролируется с помощью динамического измерения потенциала потока.

В этой рекомендации по применению мы используем анализ дзета-потенциала с помощью ELS и SPM для исследования добавления смягчителя к микрокапсулированным ароматизаторам и адсорбции этих составов на текстильной ткани.

2 Условия эксперимента

Пять образцов составов для ухода за текстилем, содержащих микрокапсулированные ароматизаторы (F1, F2), смягчитель ткани (F3) и смеси смягчителя с ароматизаторами (F4, F5), были охарактеризованы в отношении дзета-потенциала дисперсии состава и характеристик адсорбции на отбеленной хлопчатобумажной ткани. Для анализа дзета-потенциала эмульсий образцы F1 и F2 (микрокапсулированные ароматизаторы A и B) были разбавлены 1:100, в то время как смягчитель ткани и комбинированные составы смягчитель-ароматизатор были разбавлены 1:10. Для изучения кинетики адсорбции на хлопчатобумажной ткани использовали концентрацию дисперсии 0,05% по объему.

2.1 Электрофоретическое рассеяние света

Дзета-потенциал (ζ-потенциал) дисперсий рецептуры F1-F5 рассчитывали на основе измерения электрофоретической подвижности μe методом электрофоретического рассеяния света (ELS) с использованием Litesizer 500 (рис. 1). Litesizer 500 — это многопараметрический прибор для измерения размера частиц методом динамического рассеяния света (DLS), дзета-потенциала (заряд) и молекулярной массы.

Рисунок 1. Litesizer 500 с программой Kalliope для измерения DLS (размер) и ELS (дзета-потенциал).
Рисунок 1. Litesizer 500 с программой Kalliope для измерения DLS (размер) и ELS (дзета-потенциал).

ζ-потенциал дисперсий частиц и эмульсий связан с электрофоретической подвижностью уравнением 1, где v — скорость частиц или капель эмульсии, вызванная приложенным электрическим полем E, εrel и ƞ — диэлектрический коэффициент и динамическая вязкость растворителя (воды), ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, а f(ka) — коэффициент Генри [6]. Коэффициент Генри учитывает влияние соотношения радиуса частицы или капли "a" и длины Дебая k-1 на ζ-потенциал. Для размера микрокапсул эмульсий (> 1 мкм) и водной среды f(ka) = 1,5.

Уравнение 1

2.2 Потенциал потока

Поверхностный ζ-потенциал на границе раздела твердое тело-вода определяется на основе измерения потенциала потока Ustr. В этом исследовании мы используем прибор SurPASS 3 (рис. 2) для определения ζ-потенциала отбеленной хлопчатобумажной ткани до и после уравновешивания адсорбции 0,05% по объему каждого из составов F1-F5.

Поверхностный ζ-потенциал вычисляется из потенциала потока с использованием уравнения 2, где ∆p — приложенная разность давлений к образцу хлопчатобумажной ткани в форме пробки, а K — электрическая проводимость исследуемого водного раствора [7]. Остальные параметры имеют то же значение, что и в уравнении 1, которое демонстрирует аналогию измерений с помощью ELS и метода потенциала потока.

Уравнение 2


Рисунок 2. SurPASS 3 со встроенным дозирующим устройством для анализа дзета-потенциала поверхности.

Образец хлопчатобумажной ткани был установлен в виде случайной пробки в цилиндрической ячейке SurPASS 3, показанной на рисунке 3. Затем исследуемый раствор, либо водный 0,001 моль/л KCI, либо состав с концентрацией 0,05% по объему, проникает в пористую пробку-образец при приложенной разности давлений 20-60 кПа.

Рисунок 3. Цилиндрическая ячейка SurPASS 3 для гранулированных сред, волокон, тканей и пористых материалов
Рисунок 3. Цилиндрическая ячейка SurPASS 3 для гранулированных сред, волокон, тканей и пористых материалов

Динамическое измерение потенциала потока использовали для контроля скорости адсорбции каждого состава F1-F5 на отбеленной хлопчатобумажной ткани. После выполнения базового измерения исходной ткани в 0,001 моль/л KCI образец ткани подвергали воздействию 0,05% по объему соответствующего состава, и запись потенциала потока продолжалась, тем самым визуализируя влияние адсорбции микрокапсул, смягчителя и комплексов микрокапсулы-смягчитель на поверхностный заряд хлопка.

Регистрация кинетики адсорбции с помощью динамического измерения потенциала потока происходит in situ путем замены фонового буферного раствора эмульсией в точке входа жидкости прибора SurPASS 3.

3 Результаты

3.1 Электрофоретическая подвижность

ζ -потенциал для каждого состава F1-F5 определяли в трех повторах методом электрофоретического рассеяния света с использованием кюветы Omega прибора Litesizer 500. Результаты приведены в таблице 1 и указывают на отрицательный заряд для микрокапсулированных ароматизаторов A (F1) и B (F2) с более высокой эффективной плотностью заряда для образца F2. Состав смягчителя F3 обладает положительным зарядом и определяет суммарный заряд в составах F4 и F5 комплексов микрокапсула-смягчитель. Эти отдельные результаты определения ζ-потенциала предполагают, что отрицательный заряд микрокапсул компенсируется положительным зарядом смягчителя. Мы пришли к выводу, что микрокапсулы, содержащие ароматизатор А, полностью окружены катионными элементами состава смягчителя, в то время как в случае микрокапсулированного ароматизатора В можно говорить только о частичном окружении, предположительно, из-за его значительно более высокого отрицательного дзета-потенциала.

Состав Дзета-потенциал (мВ)
F1: ароматизатор A -39.5 ± 0.5
F2: ароматизатор B -56.6 ± 0.9
F3: смягчитель +66.5 ± 0.9
F4: смягчитель + ароматизатор A +64.3 ± 1.2
F5: смягчитель + ароматизатор B +35.2 ± 0.8

Таблица 1. Дзета-потенциал различных составов, определенный с помощью ELS. Среднее значение и стандартное отклонение дзета-потенциала вычисляются на основе измерений с трехкратным повторением.

Рисунок 4. Распределение дзета-потенциала для различных эмульсий смягчителя и микрокапсулированных ароматизаторов A и B, определенное методом ELS
Рисунок 4. Распределение дзета-потенциала для различных эмульсий смягчителя и микрокапсулированных ароматизаторов A и B, определенное методом ELS

Примеры для ζ-потенциала (распределение) составов F1-F5 показаны на рисунке 4. Мы находим более широкие распределения дзета-потенциала для обоих составов F4 (смягчитель + ароматизатор A) и F5 (смягчитель + ароматизатор B), что указывает на более высокую гетерогенность эффективной плотности заряда этих комплексов микрокапсула-смягчитель.

3.2 Динамическое измерение потенциала потока

На рисунке 5 показана эволюция ζ-потенциала, рассчитанного на основе измерения потенциала потока со временем адсорбции составов F1-F5 на хлопчатобумажной ткани. Потенциал потока регистрируется с частотой ~ 6 Гц (каждые 160 мс одновременно измеряются потенциал потока, разность давлений, рН, электропроводность и температура исследуемого раствора), что позволяет контролировать быстрые процессы, такие как адсорбция поверхностно-активных веществ на границе раздела твердое вещество-вода или даже влияние изменения рН водного раствора на поверхностный заряд.

Рисунок 5. Кинетика адсорбции составов F1-F5 на хлопчатобумажной ткани, записанная с помощью динамического измерения потенциала потока
Рисунок 5. Кинетика адсорбции составов F1-F5 на хлопчатобумажной ткани, записанная с помощью динамического измерения потенциала потока

Начальный ζ-потенциал ζ = -23,3 мВ (t = 0-1,6 с) соответствует заряду отбеленного хлопка в присутствии фонового буферного раствора 0,001 моль/л KCI. При добавлении 0,05% по объему микрокапсулированного ароматизатора А ζ-потенциал немного увеличивается и приближается к равновесному значению ζ = -14,2 мВ через 50 с. Противоположное наблюдается при воздействии ароматизатора В на хлопчатобумажную ткань, т.е. увеличение отрицательного ζ-потенциала до ζ = -35,2 мВ. В то время как последнее изменение ожидается при допущении адсорбции микрокапсул с ζ = -56,6 мВ (определяется в эмульсии с помощью ELS) на поверхности ткани, изменение ζ-потенциала для ароматизатора A заслуживает дальнейшего изучения для лучшего понимания. Известно, что структура ткани и внутренняя пористость хлопковых волокон создают трудности для анализа ζ-потенциала [8]. Кроме того, микрокапсулы влияют не только на заряд ткани, но и на гидрофильность поверхности. Влияние воды на границе раздела может подавлять эффективный заряд и, следовательно, величину ζ-потенциала. И последнее, но не менее важное: изменение ионной силы эмульсии состава и фонового буферного раствора для динамического измерения потенциала потока может объяснить наблюдаемый сдвиг в ζ-потенциале хлопка после нанесения ароматизаторов А и В.

На рисунке 6 сравниваются результаты отдельных показателей ζ-потенциала, зарегистрированные при равновесии адсорбции (t = 50 с), с результатами ELS для эмульсий состава.

Рисунок 6. Сравнение ζ-потенциала хлопка после адсорбции составов для ухода за текстилем (SPM) с ζ-потенциалом эмульсий состава (ELS)
Рисунок 6. Сравнение ζ-потенциала хлопка после адсорбции составов для ухода за текстилем (SPM) с ζ-потенциалом эмульсий состава (ELS)

Адсорбция смягчителя ткани на хлопчатобумажной ткани вызывает изменение заряда (t = 8 с) и приходит к равновесному ζ-потенциалу ζ = +18,6 мВ. По сравнению с ζ-потенциалом эмульсии смягчителя (ζ = +66,5 мВ) поверхность подверженной воздействию хлопчатобумажной ткани, таким образом, покрыта лишь частично. Кроме того, скорость адсорбции у смягчителя самая низкая по сравнению с комплексами микрокапсула-смягчитель. Разница между теоретическими и экспериментальными результатами определения ζ-потенциала, предполагающими полное покрытие поверхности ткани, уменьшается в серии смягчитель > смягчитель + A > смягчитель + B. При воздействии комплекса смягчителя и микрокапсулированного ароматизатора В хлопчатобумажная ткань меняет свой первоначальный ζ-потенциал (ζ = -23,3 мВ) на потенциал состава F5 (ζ = +35,2 мВ для состава F5 по сравнению с ζ = +36,9 мВ для хлопка после адсорбции смягчителя + В). Интересно, что комплексообразование микрокапсул с молекулой смягчителя усиливает адсорбцию этих комплексов на поверхности ткани, причем состав F5 (смягчитель + ароматизатор B) демонстрирует самый сильный эффект.

4 Заключение

Сочетание электрофоретического рассеяния света и измерения потенциала потока расширяет возможности анализа дзета-потенциала составов для ухода за тканями и позволяет оценивать не только стабильность состава. Такое сочетание позволяет непосредственно оценить активность ингредиентов состава, таких как катионные поверхностно-активные вещества в составе смягчителей или микрокапсулы для временной защиты и контролируемого выделения ароматизаторов в современных стиральных средствах.

Если переключаться между обычным анализом дзета-потенциала с акцентом на получение информации о поверхностном заряде и динамическим измерением потенциала потока для визуализации адсорбции активных веществ в эмульсионных составах, получается олее полная картина взаимодействия между такими активными веществами и поверхностями ткани.

Последующая корреляция результатов определения дзета-потенциала с результатами исследований сенсорной панели позволит провести более количественную оценку эффективности составов для ухода за тканями и значительно сократить усилия и время, необходимые для разработки продукта.

5 Ссылочные документы

  1. Отчет о применении D51A052EN-B. Размер частиц и дзета-потенциал эмульсий напитков с КБД. Anton Paar GmbH
  2. Отчет о применении D51IA034EN-C. Визуализация коагуляции сточных вод. Anton Paar GmbH
  3. Чайлдресс А.Е., Элимелех М. (Childress, A.E., Elimelech, M.) Влияние химического состава раствора на поверхностный заряд полимерных мембран обратного осмоса и нанофильтрации. J. Membr. Sci. 119 (2), 1996, 253-268. https://doi.Org/10.1016/0376-7388(96)00127-5
  4. Лоренцетти М., Бернардини Г., Люксбахер Т., Сантуччи А., Кобе С., Новак С. (Lorenzetti, M., Bernardini, G., Luxbacher, T., Santucci, A., Kobe, S., Novak, S.) Поверхностные свойства нанокристаллических покрытий Ti02 в связи с адсорбцией белков плазмы in vitro. Biomed. Mater. 10, 2015, 045012, https://doi.Org/10.1088/1748-6041 /10/4/045012
  5. Айдник У., Люксбахер Т., Весель А., Стерн А., Зегура Б., Трчек Дж., Фрашземлич Л. (Ajdnik, U., Luxbacher, T., Vesel, A., Stern, A., Zegura, B., Trcek, J., FrasZemljic, L.) Двухслойные покрытия на основе полисахаридов для поверхностей медицинских устройств, препятствующих образованию биопленок. Материалы 14 (16), 2021,4720, https://doi.org/10.3390/ma14164720
  6. Беллманн, С, Каспари, А., Моитци, С, Барбик, Ф. (Bellmann, C, Caspari, A., Moitzi, C, Barbick, F.) Динамическое и электрофоретическое рассеяние света. Anton Paar GmbH, 2020
  7. Люксбахер, Т. (Luxbacher, T.) Руководство по ДЗЕТА. Anton Paar GmbH, 2014
  8. Люксбахер Т. (Luxbacher, T.) Стандартная хлопчатобумажная ткань в качестве эталонного материала для измерения потенциала потока. Текстиль 67 (11-12), 2018, 350-354


Все поля, обозначенные звездочкой *, обязательны для заполнения
Защита от автоматического заполнения   Введите символы с картинки*
-- -- (0)