Úvod
To, zda se dlouhodobá stabilita emulze nebo suspenze řídí nulovou smykovou viskozitou nebo mezí kluzu, závisí na její mikrostruktuře. Kromě toho je důležitý stav této mikrostruktury v dlouhém časovém měřítku, protože s tím se nakonec setká každá dispergovaná fáze při dlouhodobém skladování.
Existuje řada testů pro hodnocení změn reologických vlastností v závislosti na čase. Zkouška tečení je pro tento úkol ideální, protože zkoumá reakci na působící napětí přímo jako funkci času. Další užitečnou zkouškou je frekvenční rozkmit, při kterém se vzorek postupně rozkmitá při několika různých frekvencích. Protože frekvence je převrácenou hodnotou času, odpovídají vysoké frekvence krátkým časovým úsekům a nízké frekvence dlouhým časovým úsekům. Je třeba poznamenat, že časový rozsah odpovídá úhlové frekvenci (ω) na rozdíl od cyklické frekvence při zkoušce oscilací.
Vyhodnocením změn modulu pružnosti (nebo skladovacího modulu) G', modulu viskozity (nebo ztrátového modulu) G" a fázového úhlu δ v omezeném frekvenčním rozsahu lze určit, zda materiál pravděpodobně vykazuje Mez kluzuMez kluzu je definována jako napětí, pod nímž nedochází k toku; v klidu se chová doslova jako slabá pevná látka a při poddajnosti jako kapalina.mez kluzu nebo nulovou smykovou viskozitu, a také potenciální problémy se stabilitou. Příklady běžných frekvenčních odezv pro různé materiály jsou uvedeny na obrázku 1. Pokud G' převyšuje G" při nízkých frekvencích, např. <0,01 Hz, lze usuzovat, že materiál má síťovou strukturu, která se musí před zahájením toku rozpadnout, tj. že má Mez kluzuMez kluzu je definována jako napětí, pod nímž nedochází k toku; v klidu se chová doslova jako slabá pevná látka a při poddajnosti jako kapalina.mez kluzu. Pokud G" převyšuje G' při nízkých frekvencích, znamená to, že může docházet k makroskopickému toku, a stabilita se pak pravděpodobně řídí nulovou smykovou viskozitou nebo viskozitou odpovídající napětí, které působí disperzní fáze.
Vzhledem k tomu, že je obtížné získat přístup k těmto velmi nízkým frekvencím na reometru kvůli dlouhým zkušebním časům, je užitečné vyhodnotit obecný tvar křivek. Protože fázový úhel δ a Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. modul pružnosti G' jsou obecnými ukazateli strukturních charakteristik, pak velikost a směr změny s klesající frekvencí mohou naznačit povahu odezvy materiálu při delších časech.
- Pokud je G' do značné míry nezávislý na frekvenci a fázový úhel zůstává buď konstantní, nebo se snižující se frekvencí klesá, jako je tomu u viskoelastické struktury pevného tělesa nebo gelu, pak můžeme usuzovat, že materiál s větší pravděpodobností zachová síťovou strukturu a bude stabilnější.
- Pokud se fázový úhel δ zvětšuje a G' se snižující se frekvencí klesá, pak to znamená, že elastické prvky struktury (sítě) se uvolňují a stávají se tekutými, z čehož lze usuzovat na nižší stabilitu.
.
Tato pozorování by se měla projevit i v komplexní viskozitě η*, která u kapalin vykazuje směrem k nižším frekvencím nástup nulové plošné smykové viskozity, zatímco u pevných látek se síťovou strukturou by měla být pozorována stále rostoucí hodnota η*, jak ukazuje obrázek 2.
Pro praktické využití této techniky je důležité vyhodnotit tvar křivek za vhodných podmínek. Minimální frekvence 0,01 Hz může být dostatečná pro vyhodnocení potenciálu stability, ale přechod na velikost frekvence nižší, i když časově náročnější, poskytne přesnější obraz trendů nízkých frekvencí. Důležitá je také zkušební teplota, protože se zvyšující se teplotou bude strukturní RelaxacePokud na pryžovou směs působí konstantní deformace, síla potřebná k udržení této deformace není konstantní, ale s časem klesá; toto chování se nazývá relaxace napětí. Proces odpovědný za relaxaci napětí může být fyzikální nebo chemický a za normálních podmínek probíhají oba současně. relaxace obecně probíhat v kratších časových intervalech v důsledku rychlejší rychlosti strukturního přeskupování. Proto může testování při vyšších teplotách lépe kopírovat skutečné podmínky skladování a potenciálně usnadnit výběr problematických vzorků. Při práci za vyšších teplot v dlouhých časových intervalech je však důležité zabránit odpařování vzorku.
V této aplikační poznámce je uvedena metodika a údaje z testování frekvence oscilací pro řadu sprchových gelů a jejich schopnost suspendovat dispergované bubliny ve vzorcích.
Experimentální
- U řady sprchových gelů obsahujících různé množství asociativního zahušťujícího polymeru (od 0 % do 8 %) byla hodnocena jejich schopnost dlouhodobě suspendovat bubliny při pokojové teplotě.
- Rotační reometrická měření byla prováděna pomocí reometru Kinexus s Peltierovou deskovou kazetou a kuželovým a deskovým měřicím systémem1 a s využitím standardních předkonfigurovaných sekvencí v softwaru rSpace.
- Byla použita standardní sekvence zatěžování, aby bylo zajištěno, že vzorky podléhají konzistentnímu a kontrolovatelnému protokolu zatěžování. ∙ Všechna reologická měření byla provedena při teplotě 25 °C, pokud není výslovně uvedeno jinak.
- Pro měření délky lineární viskoelastické oblasti (Lineární viskoelastická oblast (LVER)Při LVER jsou aplikovaná napětí nedostatečná k tomu, aby způsobila strukturální poruchu (poddajnost) konstrukce, a proto se měří důležité mikrostrukturální vlastnosti.LVER) a určení vhodné hodnoty deformace, která se použije v následném testu frekvenčního měření, se provádí amplitudový posun řízený deformační křivkou (určení Lineární viskoelastická oblast (LVER)Při LVER jsou aplikovaná napětí nedostatečná k tomu, aby způsobila strukturální poruchu (poddajnost) konstrukce, a proto se měří důležité mikrostrukturální vlastnosti.LVER je automatizováno v softwaru rSpace a určená hodnota deformace se přenese do další části sekvence).
- Při předem stanovené hodnotě deformace v rámci Lineární viskoelastická oblast (LVER)Při LVER jsou aplikovaná napětí nedostatečná k tomu, aby způsobila strukturální poruchu (poddajnost) konstrukce, a proto se měří důležité mikrostrukturální vlastnosti.LVER se provede frekvenční prověrka mezi výchozími hodnotami 10 Hz a 0,005 Hz.
Výsledky a diskuse
Na obrázku 3 jsou zobrazeny údaje z frekvenčního prověřování pro řadu testovaných sprchových gelů. Je zřejmé, že zvyšování koncentrace asociativního zahušťovadla zvyšuje stupeň elasticity, jak je patrné z nárůstu G' a poklesu fázového úhlu. Tato elasticita vzniká zesíťováním micel povrchově aktivní látky, které mohou při správných koncentracích vytvářet gelovou strukturu.
Vzorky s 6% a 8% asociativním polymerem mají vyšší hodnoty G' při nízkých frekvencích, což naznačuje větší rozsah zesíťování, zatímco hodnota a směr fázového úhlu naznačuje, že tyto materiály vykazují v tomto frekvenčním rozsahu pevné nebo gelovité chování. To je příznivé pro stabilitu, protože to naznačuje pravděpodobnost dosažení meze kluzu nebo alespoň vysoké nulové smykové viskozity při nižších frekvencích.
U vzorků s nižšími hodnotami asociativního polymeru je G" dominantní a fázový úhel se s klesající frekvencí zvětšuje, což svědčí o strukturní relaxaci, a tedy o kapalném chování v tomto frekvenčním rozsahu, které je pro stabilitu méně než příznivé.
To se odráží také v komplexní viskozitě η* (viz obr. 4), přičemž těleso na mytí neobsahující žádnou polymerní přísadu vykazuje nulové plató smykové viskozity (tj. chování podobné kapalině) s hodnotou přibližně 5 Pas. Naopak vzorek s 8% podílem asociativního polymeru vykazuje ve stejném rozsahu chování podle mocninného zákona s viskozitou blízkou 1000 Pas při 0,01 Hz. Zda by druhý jmenovaný vykazoval plató při nižších frekvencích, lze posoudit pouze zkoušením na nižších frekvencích (nebo alternativně creepovou zkouškou), nicméně viskozita při těchto nižších frekvencích by měla být dostatečně vysoká, aby zpomalila sedimentaci dispergované fáze.
Závěr
Stabilitu rozptylu je možné předpovědět provedením testu frekvenčního rozptylu v rámci Lineární viskoelastická oblast (LVER)Při LVER jsou aplikovaná napětí nedostatečná k tomu, aby způsobila strukturální poruchu (poddajnost) konstrukce, a proto se měří důležité mikrostrukturální vlastnosti.LVER za vhodných podmínek měření. To bylo prokázáno u pěti sprchových gelů obsahujících různé koncentrace asociativního zahušťovadla. Vzorky s vysokým obsahem polymeru vykazují gelové chování s vyššími hodnotami G' a nízkým fázovým úhlem, který se směrem k nižším frekvencím nezvyšuje. Ukázalo se, že tyto vzorky jsou schopny zadržovat bubliny po delší dobu.
Vezměte prosím na vědomí, že ...
že lze použít i geometrii rovnoběžné desky nebo válcovou geometrii. Pískovaná geometrie by měla být zvážena, pokud je pravděpodobné, že materiál bude vykazovat účinky skluzu stěn. Větší geometrie jsou užitečné pro měření při nízkých kroutících momentech, které se pravděpodobněji vyskytují při nižších frekvencích. Pro tyto zkoušky se rovněž doporučuje použít lapač rozpouštědel, protože odpařování rozpouštědla (např. vody) kolem okrajů měřicího systému může znehodnotit zkoušku, zejména při práci za vyšších teplot.