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Colloidal Dispersions and How to Measure Their Stability

A colloidal dispersion is composed of solid, liquid, or gas particles dispersed in a continuous phase (solid, liquid, or gas). “Colloidal” refers to particles with at least one dimension ranging from 1nm to 1µm. The most encountered colloidal dispersions are solid-liquid (suspensions), liquid-liquid (emulsions), gas-liquid (foams), and solid-gas (aerosols) dispersions.

Colloidal dispersions are inherently thermodynamically unstable systems because they tend to minimize surface energy. Hence, the stability of a colloidal system is inevitably linked to a notion of time, defined by the process, use, and application involved.

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Stability of colloidal dispersions

Two stability categories can be distinguished: colloidal stability and gravitational stability.

1.       Colloidal stability relates to particle size change (e.g., aggregation or agglomeration). If particles are not subject to size variation, the dispersion is considered colloidally stable. Hence, colloidal stability depends on several types of interactions such as:

  • Van der Walls and electrostatic interactions (classical Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) theory)
  • Steric interactions (e.g., polymer adsorption)
  • Hydrophobic effect
2.        Gravitational stability refers to the ability of particles to resist particle migration (e.g., sedimentation or creaming) and mainly depends on the rheological properties of the colloidal dispersion such as viscosity and density of the continuous phase, size, and density of the particle. For diluted colloidal particles in a Newtonian fluid, this migration phenomenon can be described by Stokes' law.

Sedimentation is sometimes confusingly considered as colloidal instability.

For example, a particle dispersion in a solvent can be colloidally stable (there is no change in particle size) while it is gravitationally unstable (particles settle due to unmatched density with the solvent).

It is worth noting that destabilizing colloidal dispersion can lead to gravitational instability (larger particles start to settle quickly).

Comment mesurer la stabilité des dispersions colloïdales ?

La diffusion électrophorétique de la lumière (ELS) est une technique couramment utilisée pour évaluer le potentiel de stabilité d'une dispersion. L'ELS permet de mesurer le potentiel zêta d'une dispersion, qui fournit des informations sur les interactions électrostatiques et, par extrapolation, sur leur tendance à s'agglomérer. Le potentiel zêta est un indicateur fiable de la stabilité de la dispersion, mais plusieurs paramètres tels que les effets stériques, la sédimentation ou les effets hydrophobes auront également une forte influence. Par conséquent, se fier uniquement aux valeurs du potentiel zêta ne peut que conduire à de fausses interprétations de la stabilité, par exemple avec des nanoparticules métalliques dans des milieux complexes, des solutés de silice aqueux et des émulsions d'huile dans l'eau. La technique SMLS offre de solides avantages pour la caractérisation des phénomènes de déstabilisation. La stabilité gravitationnelle et colloïdale des dispersions peut être évaluée avec une manipulation minimale de l'échantillon. Plus important encore, les résultats sont obtenus en analysant les formulations dans leur état natif, ce qui garantit la représentativité des résultats. Chez Microtrac, nous proposons une gamme d'appareils basés sur le SMLS, le Turbiscan , qui permet une analyse quantitative de la stabilité jusqu'à 1000 fois plus rapide que les tests conventionnels. Si vous souhaitez plus d'informations, n'hésitez pas à nous contacter.

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