Introduktion
Om langtidsstabiliteten af en emulsion eller suspension styres af en nulforskydningsviskositet eller en FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding, afhænger af dens mikrostruktur. Desuden er det denne mikrostrukturs tilstand på lange tidsskalaer, der er vigtig, da det i sidste ende er det, enhver dispergeret fase vil møde under langvarig opbevaring.
Der findes en række tests til at evaluere ændringer i reologiske egenskaber som en funktion af tiden. En krybetest er ideelt egnet til opgaven, da den ser på reaktionen på en påført StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning direkte som en funktion af tiden. En anden nyttig test er et oscillationsfrekvenssweep, hvor prøven oscilleres ved en række forskellige frekvenser i træk. Da frekvens er det omvendte af tid, svarer høje frekvenser til korte tidsskalaer og lave frekvenser til lange tidsskalaer. Det skal bemærkes, at tidsskalaen svarer til vinkelfrekvensen (ω) i modsætning til cyklusfrekvensen i oscillationstest.
Ved at evaluere ændringer i Elastisk modulDet komplekse modul (den elastiske komponent), lagringsmodulet eller G', er den "reelle" del af prøvens samlede komplekse modul. Denne elastiske komponent angiver den faste eller faselignende reaktion i den prøve, der måles. elastisk modul (eller lagringsmodul), G', viskøst modul (eller ViskositetsmodulDet komplekse modul (viskøse komponent), tabsmodul eller G'', er den "imaginære" del af prøvens samlede komplekse modul. Denne viskøse komponent angiver den væskelignende eller ude af fase reaktion i den prøve, der måles. tabsmodul), G", og fasevinkel, δ, over et begrænset frekvensområde, er det muligt at afgøre, om et materiale sandsynligvis har en FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding eller en nulforskydningsviskositet og også potentielle stabilitetsproblemer. Eksempler på almindelige frekvensresponser for forskellige materialer er vist i figur 1. Hvis G' overstiger G" ved lave frekvenser, f.eks. <0,01 Hz, kan det udledes, at materialet har en netværksstruktur, som skal nedbrydes, før flowet kan begynde, dvs. at det har en FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding. Hvis G" overstiger G' ved lave frekvenser, indikerer det, at der kan forekomme makroskopisk strømning, og stabiliteten vil så sandsynligvis være styret af nulforskydningsviskositeten eller viskositeten, der svarer til den StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning, som den dispergerede fase påfører.
Da det er vanskeligt at få adgang til disse meget lave frekvenser på et rheometer på grund af de lange testtider, er det nyttigt at evaluere kurvernes generelle form. Da fasevinklen, δ, og det elastiske modul, G', er generelle indikatorer for strukturelle egenskaber, kan størrelsen og retningen af ændringen med faldende frekvens indikere arten af materialets respons på længere tid.
- Hvis G' stort set er uafhængig af frekvensen, og fasevinklen enten forbliver konstant eller falder med faldende frekvens, som det er tilfældet med en viskoelastisk fast stof- eller gelestruktur, kan vi udlede, at det er mere sandsynligt, at materialet bevarer netværksstrukturen, og at det vil være mere stabilt.
- Hvis fasevinklen, δ, øges, og G' falder med faldende frekvens, indikerer det, at de elastiske elementer i strukturen (netværket) slapper af og bliver væskelignende, hvilket sandsynligvis betyder lavere stabilitet.
Disse observationer bør også afspejles i den komplekse viskositet, η*, som for væsker vil vise starten på et plateau med nulforskydningsviskositet mod lavere frekvenser, mens der for faste stoffer med en netværksstruktur bør observeres en stadig stigende værdi af η*, som vist i figur 2.
For at kunne bruge denne teknik i praksis er det vigtigt at evaluere kurvernes form under passende forhold. En minimumsfrekvens på 0,01 Hz kan være tilstrækkelig til at evaluere stabilitetspotentialet, men hvis man går til en frekvensstørrelse, der er lavere end dette, selv om det er mere tidskrævende, vil det give et mere præcist billede af lavfrekvente tendenser. Testtemperaturen er også vigtig, da strukturel AfslapningNår en gummiblanding udsættes for en konstant belastning, er den kraft, der er nødvendig for at opretholde belastningen, ikke konstant, men aftager med tiden; denne adfærd kaldes spændingsaflastning. Den proces, der er ansvarlig for spændingsaflastning, kan være fysisk eller kemisk, og under normale forhold vil begge dele forekomme på samme tid. afslapning generelt vil forekomme på kortere tidsskalaer med stigende temperaturer på grund af en hurtigere hastighed af strukturel omlejring. Derfor kan testning ved højere temperaturer bedre gengive reelle opbevaringsforhold og potentielt gøre det lettere at udpege problematiske prøver. Det er dog vigtigt, at man forhindrer FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning af prøverne, når man arbejder ved højere temperaturer over længere tid.
Denne applikationsnote viser metodologi og data fra test af svingningsfrekvens for en række brusegeler og deres evne til at suspendere spredte bobler i formuleringerne.
Eksperimentel
- En række brusegeler, der indeholdt forskellige niveauer af en associativ fortykkende polymer (fra 0 % til 8 %), blev evalueret for deres evne til at suspendere bobler ved stuetemperatur i længere perioder.
- Rotationsreometermålinger blev foretaget ved hjælp af et Kinexus-reometer med en Peltier-pladepatron og et kegle- og plademålesystem1 og ved hjælp af forudkonfigurerede standardsekvenser i rSpace-softwaren.
- Der blev anvendt en standardindlæsningssekvens for at sikre, at prøverne var underlagt en ensartet og kontrollerbar indlæsningsprotokol. ∙ Alle reologimålinger blev udført ved 25 °C, medmindre det er specifikt angivet.
- Der udføres et belastningskontrolleret amplitudesweep for at måle længden af den lineære viskoelastiske region (Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER) og for at bestemme en passende belastningsværdi, der skal bruges i den efterfølgende frekvenssweep-test (Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER-bestemmelsen er automatiseret i rSpace-softwaren, og den bestemte belastningsværdi føres videre til næste del af sekvensen).
- Der udføres et frekvenssweep ved den forudbestemte strain-værdi i Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER, mellem standardværdierne 10 Hz og 0,005 Hz.
Resultater og diskussion
Figur 3 viser frekvenssweep-dataene for de testede shower gel-produkter. Det er tydeligt, at en øget koncentration af associative fortykningsmidler øger graden af elasticitet, hvilket understreges af stigningen i G' og faldet i fasevinklen. Denne elasticitet opstår gennem tværbinding af de overfladeaktive miceller, som kan danne en gellignende struktur ved de rette koncentrationer.
Prøver med 6 % og 8 % associativ polymer har højere værdier af G' ved de lave frekvenser, hvilket indikerer en større grad af tværbinding, mens værdien og retningen af fasevinklen indikerer, at disse materialer udviser fast eller gellignende adfærd i dette frekvensområde. Dette er gunstigt for stabiliteten, da det indikerer sandsynligheden for en FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding eller i det mindste en høj nulforskydningsviskositet ved lavere frekvenser.
For prøverne med lavere værdier af associativ polymer er G" dominerende, og fasevinklen stiger med faldende frekvens, hvilket indikerer strukturel AfslapningNår en gummiblanding udsættes for en konstant belastning, er den kraft, der er nødvendig for at opretholde belastningen, ikke konstant, men aftager med tiden; denne adfærd kaldes spændingsaflastning. Den proces, der er ansvarlig for spændingsaflastning, kan være fysisk eller kemisk, og under normale forhold vil begge dele forekomme på samme tid. afslapning og dermed væskelignende opførsel i dette frekvensområde, hvilket ikke er særlig gunstigt for stabiliteten.
Dette afspejles også i den komplekse viskositet, η* (se figur 4), hvor kropsvasken uden polymeradditiv viser et plateau med nulforskydningsviskositet (dvs. væskelignende opførsel) med en værdi på ca. 5 Pas. Omvendt viser prøven med 8 % associativ polymer en power law-opførsel over det samme område med en viskositet tæt på 1000 Pas ved 0,01 Hz. Hvorvidt sidstnævnte vil vise et plateau ved lavere frekvenser, kan kun vurderes ved at teste ved lavere frekvenser (eller alternativt krybetest), men ikke desto mindre bør viskositeten ved disse lavere frekvenser være tilstrækkelig høj til at bremse sedimentering af en dispergeret fase.
Konklusion
Det er muligt at forudsige dispersionsstabilitet ved at udføre en frekvenssweep-test i Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER under de rette målebetingelser. Dette er blevet demonstreret for fem shower gel-produkter, der indeholder forskellige koncentrationer af et associativt fortykningsmiddel. Prøver med høje niveauer af polymer viser gel-lignende opførsel med højere værdier af G' og en lav fasevinkel, som ikke stiger mod lavere frekvenser. Disse prøver har vist sig at være i stand til at holde på boblerne i længere tid.
Bemærk venligst ...
at en parallel pladegeometri eller en cylindrisk geometri også kan bruges. En sandblæst geometri bør overvejes, hvis det er sandsynligt, at materialet vil vise vægslip-effekter. Større geometrier er nyttige til målinger ved lave momenter, som er mere sandsynlige ved lavere frekvenser. Det anbefales også at bruge en opløsningsmiddelfælde til disse tests, da FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning af opløsningsmiddel (f.eks. vand) omkring kanterne af målesystemet kan gøre testen ugyldig, især når der arbejdes ved højere temperaturer.