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. Jedním ze způsobů, jak zjistit existenci a případně velikost této viskozity při nízkém smyku (nulovém smyku), je zkouška tečení. Tato zkouška zahrnuje působení konstantního napětí po delší dobu a sledování výsledné deformace nebo poddajnosti (deformace/napětí) v závislosti na čase.
Jak je znázorněno na obrázku 1, čistě viskózní materiál vykazuje konstantní nárůst poddajnosti s časem, což svědčí o toku, tj. o ustálené viskózní odezvě. Naproti tomu pevné těleso bude vykazovat nulový gradient, což svědčí o pružné odezvě.
U viskoelastických materiálů bude odezva kombinací viskózních a elastických účinků, jak je znázorněno na obrázku 2, přičemž odezva v dlouhých časových intervalech udává, zda se jedná o 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 (elastické) nebo o ustálenou viskózní odezvu (viskózní). Pokud materiál vykazuje ustálenou viskózní odezvu, pak je nulová smyková viskozita jednoduše dána inverzním gradientem grafu závislosti poddajnosti na čase.
Pokud je známa průměrná velikost částic, HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota a objemový zlomek dispergované fáze a je určena nulová smyková viskozita kontinuální fáze, pak lze rychlost (V) dispergované fáze odhadnout pomocí následující modifikace Stokesovy rovnice:
Potenciálně lze pak disperzi přeformulovat tak, aby se dosáhlo nízké smykové viskozity dostatečné k suspendování dispergované fáze po požadovanou dobu, případně aby se zavedlo napětí kluzu, které by při dlouhých časech poskytlo reakci podobnou pevné látce.
Při zkoušce tečení je důležité, aby byl ponechán dostatečný čas pro dosažení ustáleného stavu. Pokud se tak nestane, může být uvedena příliš nízká hodnota nulové smykové viskozity nebo se skutečně nesprávně předpokládá, že materiál má nulovou smykovou viskozitu, zatímco ve skutečnosti 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. Vzhledem k tomu, že disperze mohou ležet na polici nerušeně týdny nebo dokonce měsíce, je třeba tuto skutečnost zohlednit v každém zkušebním protokolu.
V této aplikační poznámce je uvedena metodika a údaje ze zkoušek tečení dvou komerčních sprchových gelů.
Experimentální
- Byly hodnoceny dva komerční sprchové gely; jeden obsahoval pouze povrchově aktivní látku a druhý povrchově aktivní látku a asociativní zahušťovadlo.
- Rotační reometrická měření byla provedena 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 napětí, která se použije při následné zkoušce tečení, se provádí amplitudový protah řízený napětím (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 napětí se přenese do další části sekvence).
- Zkouška tečení se provádí při předem stanovené hodnotě napětí 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 - přičemž jako konečná podmínka je stanoveno dosažení ustáleného stavu (v rámci definovaných tolerančních podmínek).
- Analýza dat se provádí pomocí akce ´Nulová smyková viskozita z dat o creepu´
- Kalkulátor Stokesova zákona v softwaru pak odhadne sedimentační rychlost částic na základě naměřené viskozity a uživatelem zadaných proměnných charakteristik částic.
Výsledky a diskuse
Obrázek 3 ukazuje odezvu na tečení pro oba sprchové gely na logaritmické stupnici. Je zřejmé, že oba výrobky vykazují podobnou počáteční elastickou odezvu, avšak existují rozdíly v opožděné elastické odezvě, jak ukazuje časová škála potřebná k dosažení ustáleného stavu. Rozsah tolerance ustáleného stavu použitý v této zkoušce byl v rozmezí ± 1 % po dobu 60 sekund. Je zřejmé, že vzorek A vykazuje ustálené chování téměř okamžitě, zatímco vzorek B má určitou zbytkovou pružnost.
Obrázek 4 ukazuje stejný graf, ale s použitím lineárního měřítka. Díky tomu je snazší rozlišit rozdíly ve sklonu grafů závislosti poddajnosti na čase. Protože η0 je dáno inverzním gradientem ustálené části křivky, je zřejmé, že vzorek B bude mít vyšší viskozitu při nulovém smyku než vzorek A. Tyto hodnoty byly automaticky vypočteny v rámci zkoušky a bylo zjištěno, že pro vzorek A je to 6 Pas a pro vzorek B 12 Pas. Podle rovnice 1 to znamená, že vzorek B by snížil rychlost sedimentace o faktor 2 pro suspenze ekvivalentních částic a objemových frakcí. Zda jsou tyto hodnoty viskozity dostatečné k zajištění účinné stability, bude záviset na specifické velikosti, hustotě a objemu dispergované fáze, které je třeba stanovit pomocí nezávislých technik.
Závěry
Zkouška tečení je účinným prostředkem pro stanovení viskozity materiálu v nulovém smyku a lze ji použít k posouzení stability suspenze.
Při této zkoušce bylo prokázáno, že small množství asociativního zahušťovadla může zdvojnásobit nulovou smykovou viskozitu sprchového gelu na bázi povrchově aktivní látky a snížit rychlost sedimentace dvojnásobně (pro suspenze ekvivalentních částic a objemových frakcí).
1Upozorňujeme, že lze použít také geometrii paralelní desky nebo válcovou geo-metrii. 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.