溫度敏感型聚合物乳液(Polymer emulsions)穩定性監控
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1.背景知識
聚合物乳液由於其獨特的特性被廣泛應用於不同的領域，像是膠黏劑、黏合劑、塗料、浸漬品等。聚合物乳液是聚合物分子於水相系統中的膠體分散體，它的分散穩定性對其加工、運輸和儲存等各項層面皆具有重要的影響。而在眾多影響乳液穩定性的因素中，溫度是一個非常重要的因素，需要被加以控制。因此，瞭解聚合物乳液在不同溫度下的穩定性變化，對於改善其配方以獲得更好的應用效果十分重要。
乳膠(Latex)作爲最常見和重要的聚合物乳液之一，將於本實驗中作為樣品被量測，本應用文章將說明兩種商業可用乳膠在不同溫度下的穩定性研究。
圖一、Polymer emulsion示意圖
2.技術及方法
來自 DataPhysics Instruments 的 MultiScan MS 20（參見下圖二）是一種能測量液相分散體的穩定性並進行老化分析的設備，其中有許多變因都能個別考慮，如時間和溫度對穩定性的影響，它會由一個主機和多達六個溫度控制樣品室（掃描塔）組成，每個掃描塔可以個別控制溫度在 4°C 和 80°C 之間，搭配其強大的分析軟體 MSC 進行樣品的穩定性分析。
MS 20 將是穩定性分析的第一選擇，能夠快速且客觀地分析分散體的穩定性，並找出不穩定機制的可能性，即便是非常輕微的變化，都能透過透射光和背向散射光反映數據。
圖二、Dataphysics穩定性分析儀MS20最高可搭載6個樣品掃描塔個別進行不同的溫度實驗
3.實驗設計
本次實驗進行了兩種不同的聚合物乳液配方（乳膠A、乳膠B）的研究，實驗前樣品均先搖晃以形成均勻的溶液，接著倒入兩個透明玻璃瓶中。每種乳膠配方在 25°C 和 40°C 下分別每隔 1 小時進行測量，為期 6 天。測量區域為從 0 毫米（玻璃瓶底部）到 57 毫米（瓶子的填充水平），值得注意的是，這四個測量是同時進行的，這多虧了 MS 20 可以最多使用六個掃描塔進行獨立的實驗。
4.實驗結果
下圖三顯示了不同溫度下兩種乳膠樣品相對背向散射光強度隨位置的變化。曲線的顏色編碼表示它們被記錄的時間，從紅色（實驗開始，t = 0 秒）到紫色（實驗結束，t = 6 天）。每條曲線代表一次單獨的測量。
圖三中的背向光散射強度圖清楚地顯示了訊號隨時間和位置的變化。從強度的變化中可以推斷出可能的不穩定機制（參見下表一）。
在 25°C 下，兩個樣品都相當穩定，頂層的背向光散射強度隨時間略有下降，這表明發生了沉降過程。然而，當溫度升至 40°C 時，乳膠 A 和乳膠 B 的穩定性顯著下降，如圖三所揭示，乳膠 A 的背向光散射強度在瓶身頂層顯著增加，而在底層（ 1-3 毫米）和中層下降，這說明了有一些粒子聚集到瓶身頂部。
圖三、背向光散射訊號對瓶身位置作圖（兩種樣品對應兩種溫度條件）
此外，隨著溫度提升，乳膠 B 的穩定性也顯著下降，瓶身頂層的背向光散射強度訊號減少，而底層的背向光散射強度訊號增加，這表明不穩定的機制中沉降行為佔主導的地位。
表一、樣品A、B對應不同溫度在不同位置的行為整理表格
由於兩個樣品在不同溫度下的不穩定機制相當複雜且不同，想嘗試比較樣品時將十分不便，而我們可以通過使用 MSC 軟體提供的穩定性指數（SI）推算功能，可以綜合評估整體的穩定性。通過穩定性指數圖譜與觀察到的背向光散射強度強度變化一致，表明在 40°C 下，這兩個樣品的穩定性均比在 25°C下要低得多（參見下圖四）。
此外，正如圖四所顯示的，乳膠 A 和乳膠 B 在室溫時的穩定性相似，但在較高溫度下（例如 40°C ），乳膠 A 的穩定性將優於乳膠 B 。
圖四、穩定性指數對應時間作圖（兩種樣品對應兩種溫度）
值得一提的是，上圖的穩定性指數值在 0 至 0.35 之間，還是可以區分出不同條件及樣品間的差異，突顯了 MultiScan 技術即使是在肉眼看來非常穩定的樣品，還是仍可以進行量化並判別出微小的穩定性差異。
5.總結
使用 MS 20 穩定性分析系統及其對應的 MSC 軟件，可以以一種簡單快速的方法來研究聚合物乳液的穩定性，不論變化多麼微小或難以定義都可以簡單製圖呈現，這使得乳液的生產商或使用者能夠預見和量化長期穩定性問題，從而確保在時間和成本上達到最佳產品開發和應用。