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. En måde at bestemme eksistensen og i givet fald størrelsen af denne viskositet ved lav forskydning (nulforskydning) er ved hjælp af en krybetest. Denne test indebærer, at man påfører en konstant 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 over en længere periode og overvåger den resulterende 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 eller eftergivenhed (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/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 en funktion af tiden.
Som vist i figur 1 vil et rent viskøst materiale vise en konstant stigning i eftergiveligheden med tiden, hvilket indikerer flow, dvs. en viskøs reaktion i steady state. I modsætning hertil vil et fast stof vise en gradient på nul, hvilket indikerer en elastisk reaktion.
For viskoelastiske materialer vil responsen være en kombination af viskøse og elastiske effekter som vist i figur 2, hvor responsen ved lange tider indikerer, om 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 (elastisk) eller en viskøs steady state-respons (viskøs). Hvis materialet udviser en viskøs reaktion i steady state, er nulforskydningsviskositeten simpelthen givet ved den inverse gradient af plottet for eftergivenhed i forhold til tid.
Hvis den gennemsnitlige partikelstørrelse, densitet og volumenfraktion af den dispergerede fase er kendt, og den kontinuerlige fases nulforskydningsviskositet er bestemt, kan hastigheden (V) af den dispergerede fase estimeres ved hjælp af følgende modifikation af Stokes ligning:
a = partikelradius (kugle)
Δρ = densitetsforskellen mellem partikel og væske
η = væskens viskositet (nulforskydningsviskositet)
g = acceleration på grund af tyngdekraften
φ = fasevolumenet
Eksponentens værdi er generelt 4,75 for en radius >1 μm og 5,25 for en radius <1 μm.
Potentielt kan dispersionen derefter omformuleres for at opnå en lav forskydningsviskositet, der er tilstrækkelig til at suspendere den dispergerede fase i den krævede periode, eller alternativt for at indføre 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, der vil give en faststoflignende reaktion i lange perioder.
Når man udfører en krybetest, er det vigtigt, at der er tilstrækkelig tid til at nå en stabil tilstand. Hvis ikke, kan der blive rapporteret en for lav værdi af nulforskydningsviskositeten, eller der kan blive gjort en forkert antagelse om, at materialet har en nulforskydningsviskositet, når det faktisk 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. Da dispersioner kan stå uforstyrret på en hylde i uger eller endda måneder ad gangen, skal der tages højde for dette i enhver testprotokol.
Denne applikationsnote viser metodik og data fra krybetestning af to kommercielle shower gel-produkter.
Eksperimentel
- To kommercielle shower gel-produkter blev evalueret; den ene indeholdt kun overfladeaktive stoffer, og den anden indeholdt overfladeaktive stoffer og et associativt fortykningsmiddel.
- Der blev foretaget rotationsreometermålinger 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 brugt en standardbelastningssekvens for at sikre, at prøverne blev udsat for en ensartet og kontrollerbar belastningsprotokol.
- Alle reologimålinger blev udført ved 25 °C, medmindre det er specifikt angivet.
- Der udføres et spændingsstyret 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 spændingsværdi, der skal bruges i den efterfølgende krybetest (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 spændingsværdi føres videre til næste del af sekvensen).
- Der udføres en krybetest ved den forudbestemte spændingsværdi inden for 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 - med opnåelse af steady state som sluttilstand (inden for definerede tolerancebetingelser).
- Dataanalysen udføres ved hjælp af handlingen "Zero shear viscosity from creep data"
- En Stokes Law-beregner i softwaren estimerer derefter partiklernes sedimentationshastighed baseret på den målte viskositet og brugerindtastede variabler for partikelegenskaberne.
Resultater og diskussion
Figur 3 viser kryberesponsen for de to shower gel-produkter på en logaritmisk skala. Det er tydeligt, at de to produkter viser en lignende indledende elastisk respons, men der er forskelle i den forsinkede elastiske respons, hvilket fremgår af den tidsskala, der kræves for at opnå steady state. Toleranceområdet for steady state, der blev anvendt i denne test, var inden for ± 1 % i 60 sekunder. Det er tydeligt, at prøve A viser steady state-adfærd næsten med det samme, mens prøve B har en vis restelasticitet.
Figur 4 viser det samme plot, men med en lineær skala. Det gør det lettere at skelne mellem forskellene i gradienten i graferne for overensstemmelse i forhold til tid. Da η0 er givet ved den omvendte gradient af kurvens steady state-del, er det klart, at prøve B vil have en højere nulforskydningsviskositet end prøve A. Disse værdier blev automatisk beregnet som en del af testen og viste sig at være 6 Pas og 12 Pas for henholdsvis prøve A og B. I henhold til ligning 1 betyder det, at prøve B vil reducere sedimentationshastigheden med en faktor 2 for suspensioner med tilsvarende partikler og volumenfraktioner. Hvorvidt disse viskositetsværdier er tilstrækkelige til at give effektiv stabilitet, afhænger af den dispergerede fases specifikke størrelse, densitet og volumen, som skal bestemmes ved hjælp af uafhængige teknikker.
Konklusioner
Krybetest er et effektivt middel til at bestemme et materiales nulforskydningsviskositet og kan bruges til at vurdere suspensionens stabilitet.
I denne test har det vist sig, at en small mængde af et associativt fortykningsmiddel kan fordoble nulforskydningsviskositeten for en overfladeaktivt baseret shower gel og reducere sedimentationshastigheden med en faktor på to (for suspensioner med tilsvarende partikler og volumenfraktioner).
1Bemærk, at der også kan anvendes en parallel pladegeometri eller et cylindrisk geo-metri. 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.