مقدمة
ويعتمد استقرار المستحلب أو المعلق على المدى الطويل على ما إذا كان استقرار المستحلب أو المعلق محكومًا بلزوجة القص الصفرية أو إجهاد الخضوع على بنيته المجهرية. وعلاوةً على ذلك، فإن حالة هذه البنية المجهرية على فترات زمنية طويلة هي المهمة لأن هذا هو ما سيواجهه أي طور مشتت في نهاية المطاف خلال التخزين لفترات طويلة.
هناك عدد من الاختبارات لتقييم التغيرات في الخواص الانسيابية كدالة للزمن. يعتبر اختبار الزحف مناسبًا بشكل مثالي للمهمة لأنه ينظر إلى الاستجابة للإجهاد المطبق مباشرةً كدالة للزمن. ومن الاختبارات المفيدة الأخرى اختبار مسح تردد التذبذب حيث يتم ذبذبة العينة عند عدد من الترددات المختلفة على التوالي. وبما أن التردد هو معكوس الزمن، فإن الترددات العالية تتوافق مع المقاييس الزمنية القصيرة والترددات المنخفضة مع المقاييس الزمنية الطويلة. وتجدر الإشارة إلى أن المقياس الزمني يتوافق مع التردد الزاوي (ω) على عكس التردد الدوري في اختبار التذبذب.
من خلال تقييم التغيرات في المعامل المرن (أو التخزين)، G'؛ والمعامل اللزج (أو الفقد)، G"؛ وزاوية الطور، δ، على مدى تردد محدود، من الممكن تحديد ما إذا كان من المحتمل أن يكون للمادة إجهاد خضوع أو لزوجة قص صفرية وكذلك مشكلات الاستقرار المحتملة. يوضح الشكل 1 أمثلة على استجابات التردد الشائعة لمواد مختلفة. إذا تجاوزت G' G" عند الترددات المنخفضة، على سبيل المثال <0.01 هرتز، فيمكن الاستدلال على أن المادة تمتلك بنية شبكية تحتاج إلى التكسير قبل بدء التدفق، أي أن لديها إجهاد خضوع. إذا تجاوز G" G" عند الترددات المنخفضة، فهذا يشير إلى إمكانية حدوث التدفق العياني، ومن المرجح أن يكون الاستقرار عندئذٍ محكومًا بلزوجة القص الصفرية أو اللزوجة المقابلة للإجهاد الذي تفرضه المرحلة المشتتة.
ونظرًا لصعوبة الوصول إلى هذه الترددات المنخفضة جدًا على مقياس الانسيابية نظرًا لطول أوقات الاختبار، فمن المفيد تقييم الشكل العام للمنحنيات. بما أن زاوية الطور، δ، والمعامل المرن، G' هما مؤشران عامان للخصائص الهيكلية، فإن حجم واتجاه التغير مع تناقص التردد يمكن أن يشير إلى طبيعة استجابة المادة في الأوقات الأطول.
- إذا كان G' مستقلًا إلى حد كبير عن التردد وظلت زاوية الطور إما ثابتة أو تتناقص مع تناقص التردد، كما هو الحال مع البنية الصلبة أو الهلامية اللزجة المرنة، فيمكننا عندئذٍ استنتاج أن المادة من المرجح أن تحافظ على بنية الشبكة وستكون أكثر استقرارًا.
- أما إذا زادت زاوية الطور، δ، وتناقصت G' مع تناقص التردد، فهذا يشير إلى أن العناصر المرنة في البنية (الشبكة) ترتخي وتصبح شبيهة بالسائل، ومن المرجح أن يستدل على استقرار أقل.
وينبغي أن تنعكس هذه الملاحظات أيضًا في اللزوجة المركبة، η*، والتي ستظهر بالنسبة للسوائل بداية هضبة لزوجة القص الصفرية نحو الترددات المنخفضة، بينما بالنسبة للمواد الصلبة التي تمتلك بنية شبكية ينبغي ملاحظة قيمة متزايدة باستمرار لـ η*، كما هو موضح في الشكل 2.
وللاستخدام العملي لهذه التقنية، من المهم تقييم شكل المنحنيات في ظل ظروف مناسبة. قد يكون الحد الأدنى للتردد 0.01 هرتز كافيًا لتقييم إمكانات الثبات، ولكن الذهاب إلى مقدار تردد أقل من ذلك، على الرغم من أنه يستغرق وقتًا أطول سيوفر صورة أكثر دقة لاتجاهات التردد المنخفض. درجة حرارة الاختبار مهمة أيضًا نظرًا لأن الاسترخاء الهيكلي سيحدث بشكل عام على نطاقات زمنية أقصر مع زيادة درجات الحرارة بسبب معدل أسرع لإعادة الترتيب الهيكلي. لذلك يمكن للاختبار في درجات حرارة أعلى أن يحاكي ظروف التخزين الحقيقية بشكل أفضل، ومن المحتمل أن يسهل انتقاء العينات ذات المشاكل. ومع ذلك، من المهم عند العمل في درجات حرارة أعلى على فترات زمنية طويلة أن يتم منع تبخر العينة.
تعرض هذه المذكرة التطبيقية المنهجية والبيانات من اختبار تردد التذبذب لسلسلة من المواد الهلامية للاستحمام، وقدرتها على تعليق الفقاعات المشتتة في التركيبات.
تجريبي
- تم تقييم سلسلة من المواد الهلامية الاستحمامية التي تحتوي على مستويات مختلفة من بوليمر التكثيف الترابطي (تتراوح من 0% حتى 8%) لمعرفة قدرتها على تعليق الفقاعات في درجة حرارة الغرفة لفترات طويلة.
- أُجريت قياسات مقياس الانسيابية الدورانية باستخدام مقياس الانسيابية Kinexus مع خرطوشة لوحة بلتيير ونظام قياس مخروطي ولوحة1، وباستخدام تسلسلات قياسية معدة مسبقًا في برنامج rSpace.
- تم استخدام تسلسل تحميل قياسي لضمان خضوع العينات لبروتوكول تحميل متسق ويمكن التحكم فيه. ∙ ● تم إجراء جميع قياسات الريولوجيا عند درجة حرارة 25 درجة مئوية ما لم يُذكر ذلك تحديدًا.
- يتم إجراء مسح السعة المتحكم في الانفعال لقياس طول منطقة اللزوجة الخطية المرنة (LVER)، ولتحديد قيمة الانفعال المناسبة لاستخدامها في اختبار مسح التردد اللاحق (يتم تحديد منطقة اللزوجة الخطية المرنة آليًا في برنامج rSpace، ويتم تغذية قيمة الانفعال المحددة في الجزء التالي من التسلسل).
- يتم إجراء مسح التردد عند قيمة الانفعال المحددة مسبقًا داخل LVER، بين القيم الافتراضية 10 هرتز و0.005 هرتز.
النتائج والمناقشة
يوضح الشكل 3 بيانات مسح التردد لمجموعة منتجات جل الاستحمام التي تم اختبارها. من الواضح أن زيادة تركيز المثخن الترابطي يزيد من درجة المرونة كما يتضح من الزيادة في G' وانخفاض زاوية الطور. تنشأ هذه المرونة من خلال الارتباط المتبادل للمذيلات الخافضة للتوتر السطحي، والتي يمكن أن تشكل بنية تشبه الهلام بالتركيزات الصحيحة.
تحتوي العينات التي تحتوي على 6٪ و8٪ من البوليمر الترابطي على قيم أعلى لـ G' عند الترددات المنخفضة مما يشير إلى مدى أكبر من الارتباط المتقاطع، بينما تشير قيمة واتجاه زاوية الطور إلى أن هذه المواد تظهر سلوكًا صلبًا أو شبيهًا بالهلام في نطاق التردد هذا. وهذا أمر مواتٍ للاستقرار لأنه يشير إلى احتمالية وجود إجهاد الخضوع أو على الأقل لزوجة قص صفرية عالية عند الترددات المنخفضة.
بالنسبة للعينات التي تحتوي على قيم أقل من البوليمر الترابطي، يكون G" مهيمنًا وتتزايد زاوية الطور مع تناقص التردد، مما يشير إلى الاسترخاء البنيوي وبالتالي السلوك الشبيه بالسائل في هذا النطاق الترددي، وهو أقل من مواتٍ للاستقرار.
ينعكس هذا أيضًا في اللزوجة المعقدة، η* (انظر الشكل 4)، حيث يُظهر غسول الجسم الذي لا يحتوي على أي مادة مضافة بوليمرية هضبة لزوجة قص صفرية (أي سلوك شبيه بالسائل) بقيمة 5 باس تقريبًا. وعلى العكس من ذلك، تُظهر العينة التي تحتوي على 8٪ من البوليمر الترابطي سلوك قانون القوة على نفس النطاق مع لزوجة قريبة من 1000 باس عند 0.01 هرتز. لا يمكن تقييم ما إذا كان هذا الأخير سيُظهر هضبة عند الترددات المنخفضة أم لا إلا عن طريق الاختبار على ترددات أقل (أو اختبار الزحف بدلاً من ذلك) ولكن مع ذلك يجب أن تكون اللزوجة عند هذه الترددات المنخفضة عالية بما يكفي لإبطاء ترسيب المرحلة المشتتة.
الخاتمة
من الممكن التنبؤ بثبات التشتت عن طريق إجراء اختبار مسح التردد داخل LVER في ظل ظروف القياس المناسبة. وقد تم إثبات ذلك بالنسبة لخمسة منتجات هلام الاستحمام التي تحتوي على تركيزات مختلفة من عامل تكثيف الترابط. تُظهر العينات التي تحتوي على مستويات عالية من البوليمر سلوكًا شبيهًا بالهلام مع قيم أعلى من G' وزاوية طور منخفضة لا تزيد نحو الترددات المنخفضة. وقد ثبت أن هذه العينات قادرة على تعليق الفقاعات لفترات زمنية طويلة.
يرجى ملاحظة ...
أنه يمكن أيضًا استخدام هندسة الصفيحة المتوازية أو الهندسة الأسطوانية. وينبغي النظر في استخدام هندسة الرمل المنفوخ إذا كان من المحتمل أن تُظهر المادة تأثيرات انزلاق الجدار. تُعد الأشكال الهندسية الأكبر حجمًا مفيدة للقياسات عند عزم الدوران المنخفض، والتي من المرجح أن تصادف في الترددات المنخفضة. يوصى أيضًا باستخدام مصيدة المذيبات لهذه الاختبارات نظرًا لأن تبخر المذيب (مثل الماء) حول حواف نظام القياس يمكن أن يبطل الاختبار، خاصةً عند العمل في درجات حرارة أعلى.