Como ayuda el Potencial Zeta en las formulaciones de suspensiones y emulsiones

¿Qué es potencial zeta?

El potencial zeta es uno de los parámetros fundamentales que controla la interacción de las partículas en suspensión.

Cuando partículas con carga se aproximan entre ellas, el que se repelen depende del equilibrio entre las fuerzas de atracción  experimentadas en todos los cuerpos, y de las fuerzas de repulsión determinadas por la magnitud del potencial en la capa de deslizamiento. Este es el potencial a una corta distancia de la superficie en dónde las moléculas del dispersante se mueven con respecto a las moléculas en el límite de la superficie.

El potencial zeta es el potencial en la capa de deslizamiento. Las partículas interactúan de acuerdo al potencial en esta capa.

Potencial Zeta como función del pH

El potencial zeta es determinado por la naturaleza de la superficie de la partícula y el medio de dispersión. El pH es a menudo un parámetro importante, y esta gráfica muestra una acción típica del efecto del pH.

En este ejemplo la curva pasa través del potencial zeta en cero, en el eje de las X, y a este punto se le llama punto isoeléctrico. Esto significa que las partículas no experimentan repulsión, por lo que la aglomeración puede ser un efecto a esperarse.

De hecho puede existir cierta atracción cerca de este valor también, y como regla si queremos asegurarnos que exista repulsión entre las partículas, debemos asegurarnos de que el valor de potencial zeta en mayor a +30mV o menor a –30mV.

Esta gráfica nos da la región de inestabilidad en cuanto al pH, en este caso entre pH 4 hasta pH 7.5.

Y las regiones de estabilidad, pH menor a 4 y mayor a 7.5.

Todo esto suena muy bien, pero ¿qué pasa con la gravedad?

En la mayoría de las formulaciones, la fase dispersa tendrá densidad diferente a la del medio, por lo que tenderá a sedimentar. Manteniendo las partículas apartadas sólo reducirá la velocidad del proceso. Si sus partículas dispersas son de densidad diferente a la del medio, siga leyendo>

Para entender como manejar esto, debemos dar un vistazo a dos fuerzas competitivas, la de repulsión y la de atracción.

Esta gráfica muestra la energía de interacción, -KT indica repulsión y KT atracción. R es la distancia entre las partículas, del lado izquierdo las partículas se están tocando. Esta curva azul, es la fuerza de repulsión entre dos partículas y representaría partículas con un potencial zeta alto. A grandes separaciones existe una pequeña interacción. A medida que las partículas se aproximan, la energía de repulsión aumenta. Si las partículas pueden ser aproximadas entre ellas, lo más cerca posible como para vencer la barrera de la energía, las fuerzas de atracción dominarían y causarían que las partículas se junten.  Una vez en este punto de mínima energía primaria, se requeriría mucha energía para separar las partículas.

La curva roja representa únicamente las fuerzas de atracción, y representarían el caso en donde no existe mecanismo de estabilización.  No importando el lugar de las partículas en la dispersión, se irán agregando y caerán en la mínima primaria. La velocidad a la que esto pasa dependerá de la concentración de la muestra y de la velocidad de difusión de la partícula, y será acelerada con la agitación.

La línea verde es la suma de las fuerzas de atracción y repulsión. Note que las fuerzas de repulsión actúan sobre una distancia más grande que la de las fuerzas de atracción.

Este hecho es importante, ya que si reducimos la fuerza de repulsión, reduciendo el potencial zeta, algo inesperado sucede.

La gráfica en la imagen anterior puede ser utilizada para explicar esta observación en las dispersiones de dióxido de titanio.

Variación de la concentración de Calgón
Foto después de dos semanas

Estas ocho botellas, contienen dispersiones de dióxido de titanio en la misma concentración, con concentraciones de calgón, que es el nombre comercial de hexameta fosfato de sodio, que varían desde 0.01% en la izquierda hasta 1.25% en la derecha, y han sido dejadas por dos semanas.

Las dos botellas de la izquierda, han formado un volumen alto de sedimentos. La insuficiente estabilización de carga ha provocado que las partículas se agreguen rápidamente, formando flóculos de baja densidad. Las cuatro botellas de en medio han floculado, pero ahora se han estabilizado, con las partículas paradas en las mínima secundaria.

Las dos botellas de la derecha, tienen una carga lo suficientemente estable que ha prevenido la agregación, pero la gravedad se ha encargado de que las partículas precipiten. El movimiento browniano de las partículas ha provocado que cada partícula vaya a la posición más baja de energía, formando una cama densa que dificultará o hará imposible la re-dispersión.

La lección de esto es que mucha cantidad de dispersante puede ser tan malo como no lo suficiente.

Regresando a la foto de las dispersiones de dióxido de titanio, la distinción principal entre las botellas b y c, y entre la f y g muestra porque las variaciones entre lotes pueden ocurrir sí la formulación esta situada justo en este punto.  Pequeños cambios en la formulación pueden fácilmente desencadenar la floculación o sedimentación.

¿Que hay de mejorar el tiempo de anaquel?

Las formulaciones pueden cambiar en al almacén debido a la hidrólisis, o por el efecto del contenedor utilizado, por ejemplo, los iones de metal pueden disolverse lentamente en una lata, o los gases pueden difundirse a través de una botella de plástico. Si estos efectos son entendidos, entonces el análisis pueden realizarse para encontrar su efecto en el potencial zeta. La formulación entonces, puede ser alterada para resistir cambios debido a estos efectos, o pueden producirse cambios en las condiciones de almacenamiento.

Esto reducirá el consumo de tiempo en pruebas de estabilidad en un gran número de formulaciones, si sólo se concentra en las candidatas.

Proveedores de medición de potencia zeta

A continuación le presentamos a Malvern Instruments, proveedor de medición de potencial zeta:

Malvern Instruments es una empresa líder en soluciones de análisis de tamaño de partícula para caracterización y aplicaciones reológicas.

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