利用短波紅外跟蹤水的傳輸過程：動力學相圖、溶解和干燥_abio生物試劑品牌網
本文要點：利用水分子在約1450 nm波長處吸收紅外光，本實驗研究通過分析溶解動力學、追蹤相變過程（結合交叉偏振光學成像），監測表面活性劑與聚合物溶液的干燥動力學，展示了SWIR成像在追蹤軟材料體系水分傳輸中的多樣化能力。研究呈現了非離子表面活性劑六乙二醇單十二烷基醚（C12E6）二元水溶液達到平衡的動態相演變過程；通過追蹤膠束相到六方相的轉變濃度（C*），探究了動態擴散界面傳輸毛細管中受限水合作用的影響；針對工業常用添加劑——單價鹽（NaCl）不同濃度的影響，研究了層狀結構濃縮月桂醇聚醚硫酸鈉（70 wt% SLE1S）膏體的徑向（二維）溶解特性；開發了一項基于總溶解時間及樣品與溶劑中表面活性劑濃度估算徑向溶解系數的方程。此外，通過追蹤聚乙烯醇（PVA）水溶液的薄膜干燥過程研究水分損失，利用干燥動力學的原位監測構建溶液黏度與干燥時間的關聯模型。SWIR成像技術已揭示了表面活性劑水合作用中以往難以觀測的機制，并有望成為追蹤水分傳輸的即用型方法，從而提升質量控制和產品穩定性分析水平。
圖1. 利用SWIR成像可視化水在表面活性劑和聚合物溶液中狀態示意圖
樣品準備：溶解與干燥實驗所用的SLE1S和PVA溶液分別按20克和40克批量配制。在70 wt% SLE1S溶液中添加氯化鈉（1、2和5 wt%），添加量按表面活性劑與水混合物的總質量計算。玻璃樣品瓶置于40°C熱板上，封口膜覆蓋，每24小時輕微攪拌一次，恒溫靜置平衡5天。聚乙烯醇（PVA）水溶液制備時，將室溫水加入含定量PVA粉末（1和20 wt%）的玻璃瓶，于60°C烘箱加熱48小時，每24小時輕柔攪拌以確保均勻分散。相演變研究中，使用注射器直接吸取濃縮C12E6溶液（0.192、0.144及0.096毫升）注入毛細管，無需額外處理即可進行實驗。
圖2. C12E6毛細管從起始到平衡
圖2展示了初始填充濃度為毛細管總體積40%、30%和20%的C12E6-水體系毛細管中水濃度與相態演變過程。表面活性劑-水界面形成后，擴散作用沿毛細管長度方向建立起均勻的水濃度梯度（圖3及S3）。初始階段濃度與化學勢呈現陡峭梯度，隨時間推移梯度衰減并線性化——水分子向內擴散使內部區域濃度升高，同時C12E6分子逆向向外擴散。如圖3所示，水與表面活性劑歷經43天逆向擴散：第1天的陡峭梯度至第14天趨于平緩，第30天接近平衡狀態。最終40%、30%、20%初始填充體系分別達到60%、70%和80%的目標平衡水濃度。所有毛細管均完整經歷了預期相變序列：膠束相（L1）、六方相（H1）、立方相（V1）、層狀相（Lα）或具有雙折射特性的液晶相——該演變過程與Mitchell等提出的平衡相圖完全吻合。
圖3. 從開始（t=0）到達到平衡階段（t=43天），40%填充時整個毛細管內的水濃度演變曲線
改變毛細管內水與表面活性劑的比例會顯著影響相變速率及持續時間：較高填充濃度會導致水分擴散緩慢且相變延長（圖3）；而梯度更陡峭的填充體系則引發快速相變。在40%填充濃度的毛細管中，水合作用緩慢進行，使得液晶立方相與層狀相穩定性顯著延長，耗時近一個月才完全平衡為六方相，并觀察到明顯的雙折射圖案；20%填充體系則呈現最快的相演變過程，液晶相短暫出現后，整個毛細管迅速轉變為膠束相（L1）。該現象為通過毛細管水濃度-時間曲線分析相依賴型一維擴散系數提供了新思路：定性而言，20%填充體系在40mm處短時陡峭斜率表明快速擴散，而40%填充體系的平緩斜率則揭示較慢擴散速率。
圖4. C*水濃度的演變和毛細血管富水端的大致位置。收集數據直到膠束或六方相消失。
表1. 水和表面活性劑（100–水）濃度在膠束-六方相界面上的演化
除相變數量、類型及動力學信息外，相邊界濃度的確定尤為關鍵，其中膠束-六方相邊界（C*）的水濃度及其在毛細管中的時空演變如圖4所示。六方相具有極高黏度，易引發管道阻塞與流動中斷等問題，故實際生產中通常需規避該相態。
膠束-六方相邊界的位置和水濃度隨初始填充體積呈現差異化演變規律：40%填充體系中界面持續向毛細管富水端遷移（圖2b），而20%與30%填充體系則隨時間向毛細管內部深入移動（圖2d,f）。如圖4及表1所示，C處水濃度與平衡濃度（23°C下約60%-62.5%）存在顯著偏差：40%填充體系初始C濃度低于平衡值并隨時間趨近之；而20%及30%填充體系的C*起始接近平衡濃度，卻隨水合進程逐漸偏離。非平衡態測量條件下邊界濃度隨水合時間演化符合預期，但初始填充體積對邊界行為的反向調控效應呈現新穎且未預見的實驗現象。
圖5. 表面活性劑糊劑溶解到各向同性膠束相的SWIR圖像和徑向溶解系數
圖5展示了從初始浸潤至膏體完全溶解為膠束相的有效溶解系數及短波紅外圖像數據，經公式2計算得純凈70重量百分比SLE1S的平均有效徑向溶解系數為8.163×10?? m2/s。SLE3S分子因更高乙氧基化程度產生的強親水性增強可能促進水分在膏體內的傳輸效率。NaCl的添加顯著影響徑向溶解系數（圖5e）：隨NaCl濃度升高，溶解系數從1%濃度時的5.892×10?? m2/s遞減至2%時的4.701×10?? m2/s，5%時降至3.453×10?? m2/s。盡管NaCl具有吸濕性，其反而阻礙水分向膏體滲透。
圖6. 交叉偏振光顯微照片
圖6顯示添加NaCl的純凈層狀結構70重量百分比SLE1S溶液在浸潤前微觀結構：2%與5% NaCl濃度下出現六方相典型扇狀結構（圖6c,d）。如前所述，致密六方相具有極高粘度(84)，限制水分遷移能力，最終導致溶解過程減緩。
圖7. 干燥過程的SWIR圖像
在固定環境與物理條件（非吸附性基底、零風速）下，聚合物溶液的成膜（干燥）過程主要受水分蒸發速率控制。圖7展示了相同水解度（～80%）、不同分子量（24.5與171.0 kg/mol）的PVA溶液在水中濃度的干燥動力學曲線。其中低分子量PVA 403的重疊濃度為3.93 g/dL，PVA 420H為3.92 g/dL；所選濃度（1wt%與20wt%）分別代表稀溶液與濃溶液兩種聚合物狀態。兩種濃度的干燥曲線呈現顯著動態差異：斜率與拐點特征明顯，當歸一化吸光度趨近零時表明完全干燥。
總體而言，相同水解度下，低分子量溶液的干燥速度快于高分子量體系。PVA 403的干燥時間隨濃度升高而縮短，而PVA 420H的20%溶液干燥時間與1%溶液相當。值得注意的是，PVA 403在兩種濃度下雖速率不同但干燥特征相似，PVA 420H則呈現更復雜的行為。PVA體系的干燥行為已被廣泛研究，并通過擴散與反應工程學方法建模。蒸發過程中，PVA分子在氣液界面富集形成彈性表層阻礙水分逸失；粘度與聚合物纏結的協同作用進一步影響干燥——如20% PVA 420H的高粘度溶液會限制水分傳輸并顯著延長干燥時間。這表明干燥時間并非僅由初始含水量決定：高聚合物濃度雖減少溶劑蒸發量，但增加的粘度和膜厚會抵消其優勢。結合失重監測與膜厚分析技術，短波紅外成像提供的動態信息可促進干燥過程穩健分析模型的構建。短波紅外成像（SWIR）作為軟物質研究中新興卻未充分開發的技術，具備高通量水分追蹤能力，可建立時變材料關系并設計具有精準水合速率的產品。本研究揭示了動態表面活性劑相行為、溶解及干燥機制：受限環境中的相變行為與平衡態存在差異，膠束-六方相邊界（C*）受毛細管內表面活性劑溶液的初始體積影響；向70 wt%層狀結構SLE1S原料中添加氯化鈉形成的六方相顯著延緩溶解；而聚乙烯醇（PVA）水溶液的干燥時間則取決于聚合物濃度與粘度。通過調控表面活性劑與水相的初始填充比來控制相形成濃度及轉變動力學，為定制產品行為提供了有力工具。掌控這些轉變過程可使配方師優化水合速率，實現傷口敷料、藥物等應用的控釋效果，或促進洗滌劑的快速溶解。溶解系數的精確測量將進一步優化該過程，為水合動力學提供精細洞察。此外，干燥時間的解析將指導成膜工藝，保障涂料涂層性能的穩定性。
參考文獻
Kelkar P, Caggioni M, Erk K A, et al. Tracking Water Transport with Short-Wave Infrared: Kinetic Phase Diagrams, Dissolution, and Drying[J]. Langmuir, 2025.
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