Динамическая сорбция паров

Динамическая сорбция пара (DVS) — это гравиметрический метод, который измеряет, насколько быстро и сколько растворителя поглощается образцом, например сухим порошком, поглощающим воду. Это делается путем изменения концентрации пара вокруг образца и измерения вызванного этим изменения массы. Этот метод в основном используется для водяного пара , но подходит и для широкого спектра органических растворителей . Дэрил Уильямс, основатель компании Surface Measurement Systems Ltd, разработал динамическую сорбцию паров в 1991 году; первый прибор был доставлен компании Pfizer UK в 1992 году. Первоначально DVS был разработан для замены трудоемких и трудоемких эксикаторов и насыщенных растворов солей, используемых для измерения изотерм сорбции водяного пара .

Изотермы сорбции воды

Основное применение ДВС – измерение изотерм сорбции воды . В общем, изотерма сорбции пара показывает равновесное количество сорбированного пара как функцию относительного давления пара в установившемся состоянии при постоянной температуре. Для изотерм сорбции воды давление пара по отношению к воде чаще выражается как относительная влажность . Это достигается при измерении DVS путем воздействия на образец серии ступенчатых изменений относительной влажности и мониторинга изменения массы как функции времени. Массе образца необходимо дать возможность достичь гравиметрического равновесия на каждом этапе изменения влажности, прежде чем перейти к следующему уровню влажности. Затем значения равновесной массы на каждом этапе относительной влажности используются для создания изотермы. Изотермы обычно делятся на два компонента: сорбцию для этапов повышения влажности и десорбцию для этапов снижения влажности. Сорбцию можно разделить на адсорбцию (сорбат располагается на поверхности) и абсорбцию (сорбат проникает в объем).

Типичные результаты

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

На рисунке 1 показан типичный результат сорбции воды, полученный при измерении DVS для образца микрокристаллической целлюлозы. Кинетические данные (рис. 1а) показывают изменение массы и влажности в зависимости от времени. По кинетическим результатам можно определить скорость поглощения воды и коэффициенты диффузии воды. Значения равновесной массы в конце каждого этапа влажности использовались для расчета изотерм сорбции и десорбции (рис. 1b). Разница в поглощении водяного пара между изотермами сорбции и десорбции называется гистерезисом . Форма и расположение гистерезиса изотермы могут дать информацию о механизме сорбции и пористости образца. Хотя изотермический эксперимент является наиболее распространенным применением прибора DVS, для исследования фазовых изменений, вызванных паром, можно провести эксперименты по увеличению влажности или другие эксперименты по увеличению пара. Эти изменения включают в себя: переход от стеклообразного состояния к эластичному, превращение аморфного состояния в кристаллическое и расплывчатость 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 о различных материалах, от фармацевтических препаратов до топливных элементов . Хотя эксперименты по сорбции воды являются наиболее распространенными, использование органических паров в экспериментах по DVS может выявить дополнительные свойства образца. В разделах ниже показано, как эксперименты DVS используются в нескольких отраслях.

Фармацевтика

Свойства влагопоглощения фармацевтических материалов, таких как наполнители, лекарственные формы и упаковочные пленки, признаны критическими факторами, определяющими их хранение, стабильность, эффективность обработки и применения. ^[1]^[2] Кроме того, эксперименты по сорбции пара можно использовать для изучения гидратов. ^[3] и сольват ^[4] формирование. Гравиметрические эксперименты по сорбции пара являются одним из наиболее чувствительных методов определения аморфного содержания. ^[5]^[6]^[7] которые могут оказать вредное влияние на стабильность, технологичность и характеристики растворения приготовленного лекарственного препарата.

Пищевая наука

Влагосорбционные свойства пищевых продуктов признаны решающими факторами, определяющими их хранение, стабильность, эффективность обработки и применения. ^[8]^[9] DVS также используется для измерения свойств диффузии влаги и ароматизаторов в упаковочных и барьерных целях. ^[10]^[11] Кроме того, сорбция влаги играет решающую роль в хранении и эксплуатации сельскохозяйственной продукции, такой как пестициды , гербициды , удобрения и семена. ^[12]^[13]^[14]

Средства личной гигиены

Эксперименты DVS широко использовались при изучении материалов личной гигиены. Например, увлажнение образцов волос с помощью различных химических (т. е. кондиционирования, окрашивания и обесцвечивания) и механических (т. е. химической завивки, расчесывания и сушки феном) обработок. ^[15]^[16]^[17] Поведение гидратации образцов кожи также было изучено DVS. ^[18] Другие применения сорбции влаги, связанные с индустрией личной гигиены, включают обезвоживание контактных линз и суперабсорбирующих полимеров .

Строительные материалы

В частности, к строительным материалам. ^[19] Сорбция влаги имеет серьезные последствия для цементов, ^[20] леса, ^[21] изоляционные материалы, ^[22] и волокна. ^[23] Ущерб от влаги является существенным фактором, ограничивающим срок службы здания. ^[24] Кроме того, проникновение влаги через внешнюю конструкцию здания может оказать существенное влияние на качество воздуха в помещении и нагрузку на кондиционирование воздуха.

Протонообменные мембраны

Критическим параметром, влияющим на работу протонообменных мембран, является содержание воды. Вода обычно подается в топливный элемент путем увлажнения потока исходного газа. Уровень гидратации внутри протонообменной мембраны жизненно важен для ее работы: если уровень гидратации слишком низкий, полимеров значительно снижается ионная проводимость ; ^[25] если уровень гидратации слишком высок, избыток воды может затопить поры газодиффузионного слоя и затруднить массоперенос внутри структуры электрода. ^[26]^[27] По этим причинам ДВС был использован для изучения водосорбционных и транспортных свойств протонообменных мембран. ^[28]

См. также

Ссылки

^ П. Йорк, Международный фармацевтический журнал. 14 (1983) 1-28.
^ Г. Зографи и М. Дж. Контни, «Сорбция воды твердыми веществами» при физической характеристике твердых фармацевтических веществ, изд. Х.Г. Бриттен, Марсель Деккер, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк (1995), стр. 385–418.
^ Ф. Г. Фогт, Дж. Брум, Л. М. Катринчич, А. Флах, Дж. М. Соча, Р. М. Гудман и Р. К. Халтивангер, Crystal Growth & Design. 6 (2006) 2333-2354.
^ DJ Бернетт, Ф. Тильманн и Т. Соколоски, Журнал термического анализа и калориметрии. 89 (2007). 693-698.
^ А. Салеки-Герхард, К. Альнек и Г. Зографи, Международный фармацевтический журнал. 101 (1994) 237.
^ Л. Маккин, Р. Занон, Дж. М. Парк, К. Фостер, Х. Опаленик и М. Демонте, Международный журнал фармацевтики. 231 (2002) 227.
^ П. Янг, Х. Чиу, Т. Ти, Д. Трайндж, Х.-К. Чан, Ф. Тильманн и Д. Бернетт, Разработка лекарств и промышленная фармацевтика. 33 (2007) 91-97.
^ Т.П. Лабуза, Пищевые технологии. (1980) 36-59.
^ CJ Ломауро, А.С. Бакши и Т.П. Лабуза, Журнал пищевой науки. 50 (1985) 397-400.
^ О. Блей, Дж. Зипманн и Р. Бодмайер, Журнал фармацевтических наук, 98 (2009) 651-664.
^ К. Дюри-Брун, В. Джури, В. Гийяр, С. Десобри, А. Войли и П. Шалье, Food Research International, 39 (2006) 1002-1011.
^ В. Дуань, Э. Ян, М. Сян и С. Лю, Наука и технологии биоконтроля. 18 (2008), 613-620.
^ Конник-младший, У. Дж. Дейгл, К. Д. Бойетт, К. С. Уильямс, Б. Т. Виньярд и ПК Куимби-младший, PC Biocontrol Science and Technology. 6 (1996), 277-284.
^ Н. Д. Меньков, Журнал сельскохозяйственных инженерных исследований. 76 (2000) 373-380.
^ А. Франбур и Ф. Лерой, «Структура, функции и физико-химические свойства волос» в журнале «Наука ухода за волосами», изд. К. Бульон и Дж. Д. Уилкинсон, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида (2005), стр. 23-25.
^ Ф.-Ж. Вортманн, А. Халлман и К. Попеску, Международный журнал косметической науки. 30 (2008) 388-389.
^ К. Кейс, К. Л. Хьюммер и Ю. К. Каммат, Журнал косметической науки. 58 (2007) 135-45.
^ Л. Килпатрик-Ливерман и Т.Г. Полефка, Исследования и технологии кожи. 12 (2006) 36-42.
^ Лиефф М. и Трехсел, HR, редакторы, Миграция влаги в зданиях, ASTM: Пенсильвания, 1982.
^ Маекава К., Исида Т. и Киши Т., 2003. Журнал передовых технологий бетона, 1, 91-126.
^ Скаар, К., Отношения между деревом и водой, Springer-Verlag: Берлин, 1998.
^ Маршан, Р.Г. и Кумаран, М.К., Журнал теплоизоляции и строительных конвертов, 1994. 17, 362–367.
^ Окубаяши С., Гриссер У.Дж. и Бехтольд Т., Журнал прикладной науки о полимерах, 2005. 97, 1621-1625.
^ Цинь М., Беларби Р., Айт-Мохтар А. и Нильссон Л.О., 2009. Строительство и строительные материалы, 23, 967-975.
^ ТВ Нгуен и Н. Вандерборг, J. Membrane Sci. 143 (1998) 235.
^ Нед. Ли, С. Шимпали и Дж. В. Ван Зи, J. Electrochem. Соц. 150 (2003) А341.
^ Т. А. Заводзинский, М. Неман, Л. О. Силлеруд и С. Готтесфельд, J. Phys. хим. 95 (1991) 6040.
^ DJ Бернетт, А. Р. Гарсия и Ф. Тильманн, Журнал источников энергии. 160 (2006) 426-430.

[1] П. Йорк, Международный фармацевтический журнал. 14 (1983) 1-28.

[2] Г. Зографи и М. Дж. Контни, «Сорбция воды твердыми веществами» при физической характеристике твердых фармацевтических веществ, изд. Х.Г. Бриттен, Марсель Деккер, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк (1995), стр. 385–418.

[3] Ф. Г. Фогт, Дж. Брум, Л. М. Катринчич, А. Флах, Дж. М. Соча, Р. М. Гудман и Р. К. Халтивангер, Crystal Growth & Design. 6 (2006) 2333-2354.

[4] DJ Бернетт, Ф. Тильманн и Т. Соколоски, Журнал термического анализа и калориметрии. 89 (2007). 693-698.

[5] А. Салеки-Герхард, К. Альнек и Г. Зографи, Международный фармацевтический журнал. 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. Трайндж, Х.-К. Чан, Ф. Тильманн и Д. Бернетт, Разработка лекарств и промышленная фармацевтика. 33 (2007) 91-97.

[8] Т.П. Лабуза, Пищевые технологии. (1980) 36-59.

[9] CJ Ломауро, А.С. Бакши и Т.П. Лабуза, Журнал пищевой науки. 50 (1985) 397-400.

[10] О. Блей, Дж. Зипманн и Р. Бодмайер, Журнал фармацевтических наук, 98 (2009) 651-664.

[11] К. Дюри-Брун, В. Джури, В. Гийяр, С. Десобри, А. Войли и П. Шалье, Food Research International, 39 (2006) 1002-1011.

[12] В. Дуань, Э. Ян, М. Сян и С. Лю, Наука и технологии биоконтроля. 18 (2008), 613-620.

[13] Конник-младший, У. Дж. Дейгл, К. Д. Бойетт, К. С. Уильямс, Б. Т. Виньярд и ПК Куимби-младший, PC Biocontrol Science and Technology. 6 (1996), 277-284.

[14] Н. Д. Меньков, Журнал сельскохозяйственных инженерных исследований. 76 (2000) 373-380.

[15] А. Франбур и Ф. Лерой, «Структура, функции и физико-химические свойства волос» в журнале «Наука ухода за волосами», изд. К. Бульон 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 и Ю. К. Каммат, Журнал косметической науки. 58 (2007) 135-45.

[18] Л. Килпатрик-Ливерман и Т.Г. Полефка, Исследования и технологии кожи. 12 (2006) 36-42.

[19] Лиефф М. и Трехсел, HR, редакторы, Миграция влаги в зданиях, ASTM: Пенсильвания, 1982.

[20] Маекава К., Исида Т. и Киши Т., 2003. Журнал передовых технологий бетона, 1, 91-126.

[21] Скаар, К., Отношения между деревом и водой, Springer-Verlag: Берлин, 1998.

[22] Маршан, Р.Г. и Кумаран, М.К., Журнал теплоизоляции и строительных конвертов, 1994. 17, 362–367.

[23] Окубаяши 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] ТВ Нгуен и Н. Вандерборг, J. Membrane Sci. 143 (1998) 235.

[26] Нед. Ли, С. Шимпали и Дж. В. Ван Зи, J. Electrochem. Соц. 150 (2003) А341.

[27] Т. А. Заводзинский, М. Неман, Л. О. Силлеруд и С. Готтесфельд, J. Phys. хим. 95 (1991) 6040.

[28] DJ Бернетт, А. Р. Гарсия и Ф. Тильманн, Журнал источников энергии. 160 (2006) 426-430.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]