Динамическая сорбция паров - Dynamic vapor sorption

Динамическая сорбция паров (DVS) - это гравиметрический метод, который измеряет, насколько быстро и сколько растворителя поглощается образцом: например, сухой порошок, поглощающий воду. Он делает это, изменяя концентрацию пара, окружающего образец, и измеряя изменение массы, которое это вызывает. Водяной пар чаще всего используется, но также можно использовать широкий спектр органические растворители.

Д-р Дэрил Уильямс, основатель компании Surface Measurement Systems Ltd, изобрел динамическую сорбцию пара в 1991 году, и первый прибор был доставлен компании Pfizer UK в 1992 году. DVS изначально был разработан, чтобы заменить время и трудоемкие эксикаторы и насыщенные солевые растворы для измерения изотермы сорбции водяного пара.

Изотермы сорбции воды

Основное применение DVS - измерение воды сорбция изотермы. В общем, пар изотерма сорбции показывает равновесие количество сорбированного пара как функция стационарного относительного давление газа при постоянной температуре. За изотермы сорбции воды, относительное давление водяного пара чаще выражается как относительная влажность. В эксперименте DVS это достигается путем воздействия на образец серии ступенчатых изменений относительная влажность и отслеживание изменения массы как функции времени. Масса образца должна достигать гравиметрический равновесие при каждом изменении влажности перед переходом на следующий уровень влажности. Тогда значения равновесной массы на каждом относительная влажность step используются для построения изотермы. Изотермы обычно делятся на две составляющие: сорбция для увеличения ступеней влажности и десорбция для уменьшения ступеней влажности. Сорбцию можно разделить на адсорбция (сорбат расположен на поверхности) и поглощение (сорбат проникает в объем).

Типичные результаты

Рис. 1. График кинетики (а) и изотермы (b) сорбции водяного пара для микрокристаллической целлюлозы при 25,0 ° C.

На рисунке 1 показан типичный водный сорбция результат эксперимента DVS для образца микрокристаллической целлюлозы. Кинетические данные (рис. 1а) показывают изменение массы и влажности как функцию времени. По кинетическим результатам можно определить скорость поглощения воды и коэффициенты диффузии воды. Значения равновесной массы в конце каждого шага влажности использовались для расчета сорбция и изотермы десорбции (рис. 1б). Разница в поглощении водяного пара между изотермами сорбции и десорбции называется гистерезисом. Форма и расположение изотермы гистерезис может пролить свет на информацию о сорбция механизм и пористость образца. Хотя изотермический эксперимент является наиболее распространенным использованием прибора DVS, эксперименты с линейным изменением влажности (или другого пара) могут быть выполнены для исследования фазовых изменений, вызванных паром. Эти изменения включают: переход от стеклообразного к каучуковому, переход от аморфного к кристаллическому и плавучесть образца.

Приложения

Измерение DVS находит применение в широком спектре отраслей. Как изотермы равновесной сорбции паров, так и кинетические результаты сорбции паров могут дать важную информацию для различных материалов, от фармацевтических препаратов до топливные элементы. Хотя вода сорбция эксперименты являются наиболее распространенными, использование органического пара в экспериментах DVS может выявить дополнительные свойства образца. В следующих разделах показано, как эксперименты DVS используются в нескольких отраслях.

Фармацевтические препараты

Свойства сорбции влаги фармацевтических материалов, таких как наполнители, лекарственные формы и упаковочные пленки, признаны критическими факторами, определяющими их хранение, стабильность, обработку и эффективность применения.[1][2] Кроме того, эксперименты по сорбции паров могут быть использованы для изучения гидрат [3] и сольват [4] формирование. Гравиметрические эксперименты по сорбции паров являются одним из наиболее чувствительных методов определения содержания аморфных частиц.[5][6][7] которые могут отрицательно повлиять на стабильность, технологичность и характеристики растворения готового лекарственного продукта.

Наука о еде

Влажность сорбция Свойства пищевых продуктов признаны критическими факторами, определяющими их хранение, стабильность, эффективность обработки и применения.[8][9] DVS также используется для измерения свойств диффузии влаги и аромата для упаковки и барьерных применений.[10][11] Кроме того, сорбция влаги играет важную роль в хранении и производительности сельскохозяйственных продуктов, таких как пестициды, гербициды, удобрения и семена.[12][13][14]

Товары личной гигиены

Эксперименты DVS широко использовались при изучении материалов личной гигиены. Например, увлажнение образцов волос с помощью различных химических (например, кондиционирование, окрашивание и обесцвечивание) и механических (например, химической завивки, расчесывания и сушки феном) обработок.[15][16][17] Гидратация образцов кожи также была изучена DVS.[18] Другая влажность сорбция приложения, относящиеся к индустрии личной гигиены, включают обезвоживание контактных линз и сверхабсорбирующие полимеры.

Строительные материалы

В частности, для строительных материалов,[19] сорбция влаги имеет большое значение для цемента,[20] лес[21] изоляционные материалы,[22] и волокна.[23] Повреждение от влаги является значительным фактором, ограничивающим срок службы здания.[24] Кроме того, проникновение влаги через внешнюю конструкцию здания может существенно повлиять на качество воздуха в помещении и нагрузку на систему кондиционирования.

Протонообменные мембраны

Критический параметр, влияющий на производительность протонообменные мембраны содержание воды. Вода обычно подается в топливный элемент путем увлажнения подаваемого потока газа. Уровень гидратации протонообменной мембраны жизненно важен для ее работы: если уровень гидратации слишком низкий, полимеры экспонат сильно уменьшился ионная проводимость;[25] если уровень гидратации слишком высок, избыток воды может затопить поры в газодиффузионном слое и затруднить перенос массы в структуре электрода.[26][27] По этим причинам DVS был использован для изучения водосорбционных и транспортных свойств протонообменных мембран.[28]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ П. Йорк, Международный журнал фармацевтики. 14 (1983) 1-28.
  2. ^ Г. Зографи и М.Дж. Контны, «Сорбция воды твердыми веществами» в физических характеристиках твердых фармацевтических веществ, под ред. Герберт Бриттен, Марсель Деккер, Нью-Йорк, Нью-Йорк (1995), стр. 385-418.
  3. ^ F.G. Vogt, J. Brum, L.M. Katrincic, A. Flach, J.M. Socha, R.M. Гудман и Р. Халтивангер, рост кристаллов и дизайн. 6 (2006) 2333-2354.
  4. ^ Д.Дж. Бернетт, Ф. Тильман и Т. Соколоски, Журнал термического анализа и калориметрии. 89 (2007). 693-698.
  5. ^ А. Салеки-Герхард, К. Алнек и Г. Зографи, Международный журнал фармацевтики. 101 (1994) 237.
  6. ^ Л. Маккин, Р. Занон, Дж. М. Парк, К. Фостер, Х. Опаленик и М. Демонте, Международный журнал фармацевтики. 231 (2002) 227.
  7. ^ П. Янг, Х. Чиу, Т. Ти, Д. Трейндж, Х.-К. Чан, Ф. Тильман и Д. Бернетт, Разработка лекарственных средств и промышленная фармация. 33 (2007) 91-97.
  8. ^ Лабуза Т.П. Пищевая технология. (1980) 36-59.
  9. ^ К. Дж. Ломауро, А. С. Бакши и Т. П. Лабуза, Journal of Food Science. 50 (1985) 397-400.
  10. ^ О. Блей, Дж. Зипманн и Р. Бодмайер, Journal of Pharmaceutical Sciences, 98 (2009) 651-664.
  11. ^ К. Дери-Брун, В. Джури, В. Гийяр, С. Десобри, А. Войли и П. Чалиер, Food Research International, 39 (2006) 1002-1011.
  12. ^ W. Duan, E. Yang, M. Xiang, X. Liu, Biocontrol Science and Technology. 18 (2008), 613-620.
  13. ^ Младший Конник, В.Дж. Дейгл, К.Д. Бойет, К. Уильямс, Б. Виньярд и П. Куимби-младший, П.С. Биоконтроль науки и технологий. 6 (1996), 277-284.
  14. ^ Меньков Н.Д. Журнал исследований сельскохозяйственной инженерии. 76 (2000) 373-380.
  15. ^ А. Франбург и Ф. Лерой, «Структура, функция и физико-химические свойства волос» в издании «Наука об уходе за волосами». К. Буйон и Дж. Д. Уилкинсон, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида (2005), стр. 23-25.
  16. ^ Ф.-Ж. Вортманн, А. Халлман и К. Попеску, Международный журнал косметической науки. 30 (2008) 388-389.
  17. ^ К. Кейс, К.Л. Хьюммер, Ю.К. Каммат, журнал косметической науки. 58 (2007) 135-45.
  18. ^ Л. Килпатрик-Ливерман и Т. Полефка, Skin Research and Technology. 12 (2006) 36-42.
  19. ^ Лифф, М. и Трехсел, HR, редакторы, Миграция влаги в зданиях, ASTM: PA, 1982.
  20. ^ Маэкава К., Исида Т. и Киши Т., 2003. Журнал передовых бетонных технологий, 1, 91-126.
  21. ^ Скаар К. Отношения дерева и воды, Springer-Verlag: Берлин, 1998.
  22. ^ Маршан, Р. и Кумаран, М.К., Журнал теплоизоляции и ограждающих конструкций зданий, 1994. 17, 362-367.
  23. ^ Окубаяси С., Гриссер У. Дж. И Бехтольд Т., Журнал прикладной науки о полимерах, 2005. 97, 1621–1625.
  24. ^ Цинь, М., Беларби, Р., Айт-Мохтар, А., и Нильссон, Л. О., 2009. Строительство и строительные материалы, 23, 967-975.
  25. ^ T.V Nguyen и N. Vanderborgh, J. Membrane Sci. 143 (1998) 235.
  26. ^ З-к. Ли, С. Шимпали и Дж. У. Van Zee, J. Electrochem. Soc. 150 (2003) А341.
  27. ^ Т.А. Заводзинский., М. Неман, Л.О. Sillerud, S. Gottesfeld, J. Phys. Chem. 95 (1991) 6040.
  28. ^ Д.Дж. Бернетт, А. Гарсия и Ф. Тильман, Журнал источников энергии. 160 (2006) 426-430.