Въведение
Дали дългосрочната стабилност на една емулсия или суспензия се определя от вискозитета при нулево срязване или от границата на провлачване, зависи от нейната микроструктура. Освен това е важно състоянието на тази микроструктура в дълги периоди от време, тъй като в крайна сметка това е състоянието, с което всяка дисперсна фаза ще се сблъска при продължително съхранение.
Съществуват редица тестове за оценка на промените в реологичните свойства като функция на времето. Изпитването на пълзене е идеално подходящо за тази задача, тъй като разглежда реакцията на приложен стрес директно като функция на времето. Друг полезен тест е честотният обхват на осцилациите, при който пробата се осцилира последователно при няколко различни честоти. Тъй като честотата е обратна на времето, високите честоти съответстват на кратките времеви интервали, а ниските честоти - на дългите времеви интервали. Трябва да се отбележи, че времевата скала съответства на ъгловата честота (ω), за разлика от честотата на цикъла при изпитването на трептенията.
Чрез оценяване на промените в модула на еластичност (или съхранение), G'; вискозния модул (или загубите), G"; и фазовия ъгъл, δ, в ограничен честотен диапазон е възможно да се определи дали даден материал вероятно ще има граница на провлачане или вискозитет с нулево срязване, а също и потенциални проблеми със стабилността. Примери за общи честотни реакции за различни материали са показани на фигура 1. Ако G' превишава G" при ниски честоти, например <0,01 Hz, тогава може да се заключи, че материалът има мрежова структура, която трябва да се разруши, преди да започне да тече, т.е. има напрежение на провлачане. Ако G" превишава G' при ниски честоти, това показва, че може да възникне макроскопичен поток и тогава стабилността вероятно се управлява от вискозитета при нулево срязване или вискозитета, съответстващ на напрежението, наложено от дисперсната фаза.
Тъй като е трудно да се достигне до тези много ниски честоти на реометъра поради дългите времена на изпитване, е полезно да се оцени общата форма на кривите. Тъй като фазовият ъгъл, δ, и еластичният модул, G', са общи показатели за структурните характеристики, тогава големината и посоката на изменение с намаляване на честотата могат да покажат естеството на реакцията на материала при по-дълги времена.
- Ако G' е до голяма степен независим от честотата и фазовият ъгъл остава постоянен или намалява с намаляване на честотата, както е при вискоеластична структура на твърдо тяло или гел, тогава можем да заключим, че материалът е по-вероятно да запази мрежовата структура и ще бъде по-стабилен.
- Ако фазовият ъгъл, δ, се увеличава и G' намалява с намаляването на честотата, това означава, че еластичните елементи на структурата (мрежата) се отпускат и стават течни, което може да доведе до по-ниска стабилност.
Тези наблюдения трябва да се отразят и в комплексния вискозитет, η*, който за течностите ще покаже началото на нулево плато на вискозитета на срязване към по-ниските честоти, докато за твърдите тела, притежаващи мрежова структура, трябва да се наблюдава постоянно нарастваща стойност на η*, както е показано на фигура 2.
За практическото използване на тази техника е важно да се оцени формата на кривите при подходящи условия. Минимална честота от 0,01 Hz може да бъде достатъчна за оценка на потенциала за стабилност, но преминаването към величина на честотата, по-ниска от тази, въпреки че отнема повече време, ще осигури по-точна картина на тенденциите при ниските честоти. Температурата на изпитването също е важна, тъй като структурната релаксация обикновено настъпва в по-кратки срокове с увеличаване на температурата поради по-бързата скорост на структурното преустройство. Следователно изпитването при по-високи температури може да възпроизведе по-добре реалните условия на съхранение и потенциално да улесни избора на проблемни проби. При работа при по-високи температури за дълъг период от време обаче е важно да се предотврати изпаряването на пробата.
Тази приложна бележка показва методологията и данните от изпитването на честотата на трептене за серия душ-гелове и способността им да суспендират диспергирани мехурчета във формулите.
Експериментален
- Серия от душ-гелове, съдържащи различни нива на асоциативен сгъстяващ полимер (от 0 % до 8 %), бяха оценени по отношение на способността им да задържат мехурчета при стайна температура за продължителни периоди от време.
- Измерванията с ротационен реометър бяха извършени с помощта на реометър Kinexus с касета с плочи на Пелтие и система за измерване на конуси и плочи1 , като бяха използвани стандартни предварително конфигурирани последователности в софтуера rSpace.
- Използвана е стандартна последователност на зареждане, за да се гарантира, че пробите са подложени на последователен и контролируем протокол на зареждане. ∙ Всички реологични измервания са извършени при 25°C, освен ако не е изрично посочено.
- Извършва се контролирано от деформацията амплитудно размахване, за да се измери дължината на линейната вискоеластична област (Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER) и да се определи подходящата стойност на деформацията, която да се използва при последващото изпитване с честотно размахване (определянето на Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER е автоматизирано в софтуера rSpace, а определената стойност на деформацията се прехвърля в следващата част на последователността).
- Извършва се честотно измерване при предварително определената стойност на деформацията в рамките на Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER, между стойностите по подразбиране от 10 Hz и 0,005 Hz.
Резултати и обсъждане
На фигура 3 са показани данните от честотната амплитуда за гамата от тествани продукти за душ гел. Ясно е, че увеличаването на концентрацията на асоциативния сгъстител увеличава степента на еластичност, както се вижда от увеличаването на G' и намаляването на фазовия ъгъл. Тази еластичност възниква чрез омрежване на мицелите на повърхностноактивните вещества, които могат да образуват гелообразна структура при подходящи концентрации.
Пробите с 6 % и 8 % асоциативен полимер имат по-високи стойности на G' при ниските честоти, което показва по-голяма степен на омрежване, докато стойността и посоката на фазовия ъгъл показват, че тези материали показват твърдо или гелоподобно поведение в този честотен диапазон. Това е благоприятно за стабилността, тъй като показва вероятността от достигане на граница на провлачане или поне на висок вискозитет при нулево срязване при ниските честоти.
При образците с по-ниски стойности на асоциативния полимер G" е доминиращ и фазовият ъгъл се увеличава с намаляване на честотата, което показва структурна релаксация и следователно течно поведение в този честотен диапазон, което не е благоприятно за стабилността.
Това е отразено и в комплексния вискозитет, η* (вж. фигура 4), като измиването на тялото, несъдържащо полимерна добавка, показва плато на вискозитета при нулево срязване (т.е. течноподобно поведение) със стойност приблизително 5 Pas. Обратно, пробата с 8% асоциативен полимер показва поведение по закона на силата в същия диапазон с вискозитет, близък до 1000 Pas при 0,01 Hz. Дали последният ще покаже плато при по-ниски честоти или не, може да се прецени само чрез изпитване до по-ниски честоти (или алтернативно изпитване на пълзене), но въпреки това вискозитетът при тези по-ниски честоти трябва да бъде достатъчно висок, за да забави утаяването на дисперсната фаза.
Заключение
Възможно е да се предвиди стабилността на дисперсията чрез провеждане на тест за измерване на честотата в рамките на Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER при подходящи условия на измерване. Това е демонстрирано за пет продукта за душ гел, съдържащи различни концентрации на асоциативен сгъстител. Пробите с високо съдържание на полимер показват гелоподобно поведение с по-високи стойности на G' и нисък фазов ъгъл, който не се увеличава към по-ниските честоти. Доказано е, че тези проби са в състояние да задържат мехурчета за продължителни периоди от време.
Моля, обърнете внимание на ...
че може да се използва и геометрия на паралелна плоча или цилиндрична геометрия. Геометрия с пясъкоструйка трябва да се обмисли, ако има вероятност материалът да прояви ефекти на приплъзване на стените. По-големите геометрии са полезни за измервания при ниски въртящи моменти, които е по-вероятно да се срещнат при по-ниски честоти. При тези изпитвания се препоръчва също използването на уловител на разтворителя, тъй като изпаряването на разтворителя (напр. вода) по ръбовете на измервателната система може да доведе до невалидност на изпитването, особено при работа при по-високи температури.