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. Един от начините да се определи наличието и ако е така, големината на този вискозитет при ниско срязване (нулево срязване) е чрез изпитване на пълзене. Това изпитване включва прилагане на постоянно напрежение за продължителен период от време и наблюдение на получената деформация или съответствие (деформация/напрежение) като функция на времето.
Както е показано на фигура 1, един чисто вискозен материал ще покаже постоянно нарастване на съответствието с времето, което е показателно за потока, т.е. устойчиво състояние на вискозната реакция. За разлика от това твърдото тяло ще покаже нулев градиент, което показва еластична реакция.
За вискоеластичните материали реакцията ще бъде комбинация от вискозни и еластични ефекти, както е показано на фигура 2, като реакцията в дълги периоди от време показва дали има граница на провлачване (еластична) или устойчиво състояние на вискозна реакция (вискозна). Ако материалът показва устойчиво състояние на вискозна реакция, тогава вискозитетът при нулево срязване просто се определя от обратния градиент на графиката на съответствието спрямо времето.
Ако средният размер на частиците, плътността и обемната част на дисперсната фаза са известни и вискозитетът на непрекъснатата фаза при нулево срязване е определен, тогава скоростта (V) на дисперсната фаза може да се оцени, като се използва следната модификация на уравнението на Стокс:
a = радиусът на частицата (сфера)
Δρ = разликата в плътността на частицата и течността
η = вискозитетът на течността (нулев вискозитет на срязване)
g = ускорението, дължащо се на гравитацията
φ = фазовият обем
Стойността на експонентата обикновено е 4,75 за радиус >1 μm и 5,25 за радиус <1 μm.
Потенциално дисперсията може да се преформулира, за да се получи нисък вискозитет на срязване, достатъчен за суспендиране на диспергираната фаза за необходимия период, или алтернативно да се въведе напрежение на провлачване, което би довело до реакция, подобна на твърдо вещество, за дълъг период от време.
Важно е при провеждане на изпитването на пълзене да се осигури достатъчно време за достигане на устойчиво състояние. В противен случай може да се отчете твърде ниска стойност на нулевия вискозитет на срязване или да се направи неправилно предположение, че материалът има нулев вискозитет на срязване, докато всъщност има напрежение на провлачване. Тъй като дисперсиите могат да стоят на рафта необезпокоявани в продължение на седмици или дори месеци, това трябва да се вземе предвид във всеки протокол за изпитване.
Тази бележка за приложение показва методологията и данните от изпитването на пълзене за два търговски продукта за душ гел.
Експериментален
- Бяха оценени два търговски продукта за душ гел; единият съдържа само повърхностноактивно вещество, а другият - повърхностноактивно вещество и асоциативен сгъстител.
- Измерванията с ротационен реометър са направени с реометър Kinexus с касета с плочи на Пелтие и система за измерване на конуси и плочи1, като са 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 напрежението амплитудно преместване, 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 напрежението, която да се използва при последващото изпитване на пълзене (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 напрежението се въвежда в следващата част на последователността).
- Изпитването за пълзене се извършва при предварително определената стойност на напрежението 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, като за крайно условие се определя достигането на устойчиво състояние (в рамките на определени допустими отклонения).
- Анализът на данните се извършва с помощта на действието "Нулев вискозитет на срязване от данни за пълзене"
- След това калкулаторът по закона на Стокс в софтуера оценява скоростта на утаяване на частиците въз основа на измерения вискозитет и въведените от потребителя променливи за характеристиките на частиците.
Резултати и обсъждане
На фигура 3 е показана реакцията на пълзене за двата продукта за душ гел в логаритмична скала. Ясно е, че двата продукта показват сходна първоначална еластична реакция, но има разлики в забавената еластична реакция, както показва времевата скала, необходима за постигане на устойчиво състояние. Диапазонът на допустимите отклонения в стабилно състояние, използван в това изпитване, е в рамките на ± 1 % за 60 секунди. Ясно е, че образец А показва поведение в стабилно състояние почти веднага, докато образец Б има известна остатъчна еластичност.
На фигура 4 е показан същият чертеж, но с линейна скала. Това улеснява разграничаването на разликите в наклона на графиките на съответствието спрямо времето. Тъй като η0 се определя от обратния градиент на частта от кривата, която е в стабилно състояние, е ясно, че проба В ще има по-висок вискозитет при нулево срязване, отколкото проба А. Тези стойности бяха изчислени автоматично като част от теста и се установи, че са 6 Pas и 12 Pas съответно за проби А и В. Съгласно уравнение 1 това означава, че проба В ще намали скоростта на утаяване с коефициент 2 за суспензии с еквивалентни частици и обемни фракции. Дали тези стойности на вискозитета са достатъчни, за да осигурят ефективна стабилност, зависи от специфичния размер, плътността и обема на диспергираната фаза, които трябва да се определят с помощта на независими техники.
Заключения
Изпитването на пълзене е ефективно средство за определяне на вискозитета при нулево срязване на даден материал и може да се използва за оценка на стабилността на суспензията.
При това изпитване е доказано, че small количество асоциативен сгъстител може да удвои вискозитета при нулево срязване на душ-гел на базата на повърхностноактивни вещества и да намали скоростта на утаяване два пъти (за суспензии с еквивалентни частици и обемни фракции).
1Моля,обърнете внимание, че може да се използва и геометрия на паралелна плоча или цилиндрична геометрия. За тези изпитвания се препоръчва и използването на уловител на разтворителя, тъй като изпаряването на разтворителя (напр. вода) по ръбовете на измервателната система може да направи изпитването невалидно, особено при работа при по-високи температури.