Εισαγωγή
Το αν η μακροπρόθεσμη σταθερότητα ενός γαλακτώματος ή εναιωρήματος διέπεται από ένα ιξώδες μηδενικής διάτμησης ή από ένα όριο διαρροής εξαρτάται από τη μικροδομή του. Επιπλέον, είναι σημαντική η κατάσταση αυτής της μικροδομής σε μεγάλες χρονικές κλίμακες, δεδομένου ότι αυτή είναι τελικά η κατάσταση που θα συναντήσει κάθε διεσπαρμένη φάση κατά την παρατεταμένη αποθήκευση.
Υπάρχουν διάφορες δοκιμές για την αξιολόγηση των μεταβολών των ρεολογικών ιδιοτήτων σε συνάρτηση με το χρόνο. Η δοκιμή ερπυσμού είναι ιδανικά κατάλληλη για το έργο αυτό, δεδομένου ότι εξετάζει την απόκριση σε μια εφαρμοζόμενη τάση απευθείας ως συνάρτηση του χρόνου. Μια άλλη χρήσιμη δοκιμή είναι η σάρωση συχνότητας ταλάντωσης, όπου το δείγμα ταλαντώνεται διαδοχικά σε διάφορες συχνότητες. Δεδομένου ότι η συχνότητα είναι το αντίστροφο του χρόνου, τότε οι υψηλές συχνότητες αντιστοιχούν σε μικρές χρονικές κλίμακες και οι χαμηλές συχνότητες σε μεγάλες χρονικές κλίμακες. Πρέπει να σημειωθεί ότι η χρονική κλίμακα αντιστοιχεί στη γωνιακή συχνότητα (ω) σε αντίθεση με την κυκλική συχνότητα στη δοκιμή ταλάντωσης.
Αξιολογώντας τις μεταβολές στο μέτρο ελαστικότητας (ή αποθήκευσης), G', στο μέτρο ιξώδους (ή απώλειας), G", και στη γωνία φάσης, δ, σε ένα περιορισμένο εύρος συχνοτήτων, είναι δυνατόν να προσδιοριστεί εάν ένα υλικό είναι πιθανό να έχει όριο διαρροής ή ιξώδες μηδενικής διάτμησης, καθώς και πιθανά προβλήματα σταθερότητας. Παραδείγματα κοινών αποκρίσεων συχνότητας για διάφορα υλικά παρουσιάζονται στο Σχήμα 1. Εάν το G' υπερβαίνει το G" σε χαμηλές συχνότητες, π.χ. <0,01Hz, τότε μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι το υλικό διαθέτει δομή δικτύου που πρέπει να διασπαστεί πριν αρχίσει η ροή, δηλαδή έχει τάση διαρροής. Εάν το G" υπερβαίνει το G' σε χαμηλές συχνότητες, αυτό υποδηλώνει ότι μπορεί να εμφανιστεί μακροσκοπική ροή και η σταθερότητα είναι τότε πιθανό να διέπεται από το ιξώδες μηδενικής διάτμησης ή το ιξώδες που αντιστοιχεί στην τάση που επιβάλλει η διασκορπισμένη φάση.
Δεδομένου ότι είναι δύσκολο να έχει κανείς πρόσβαση σε αυτές τις πολύ χαμηλές συχνότητες σε ένα ρεόμετρο λόγω των μεγάλων χρόνων δοκιμής, είναι χρήσιμο να αξιολογηθεί η γενική μορφή των καμπυλών. Δεδομένου ότι η γωνία φάσης, δ, και το μέτρο ελαστικότητας, G', είναι γενικοί δείκτες δομικών χαρακτηριστικών, τότε το μέγεθος και η κατεύθυνση της μεταβολής με τη μείωση της συχνότητας μπορεί να υποδείξει τη φύση της απόκρισης του υλικού σε μεγαλύτερους χρόνους.
- Εάν το G' είναι largely ανεξάρτητο από τη συχνότητα και η γωνία φάσης παραμένει είτε σταθερή είτε μειώνεται με τη μείωση της συχνότητας, όπως συμβαίνει με μια ιξωδοελαστική δομή στερεού ή γέλης, τότε μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το υλικό είναι πιο πιθανό να διατηρήσει τη δομή του δικτύου και θα είναι πιο σταθερό.
- Εάν η γωνία φάσης, δ, αυξάνεται και το G' μειώνεται με τη μείωση της συχνότητας, τότε αυτό υποδηλώνει ότι τα ελαστικά στοιχεία της δομής (το δίκτυο) χαλαρώνουν και γίνεται σαν υγρό, αυτό είναι πιθανό να συμπεράνουμε χαμηλότερη σταθερότητα.
Αυτές οι παρατηρήσεις θα πρέπει επίσης να αντικατοπτρίζονται στο σύνθετο ιξώδες, η*, το οποίο για τα ρευστά θα παρουσιάζει την έναρξη ενός πλατώ μηδενικού διατμητικού ιξώδους προς τις χαμηλότερες συχνότητες, ενώ για τα στερεά που διαθέτουν δικτυακή δομή θα πρέπει να παρατηρείται μια συνεχώς αυξανόμενη τιμή του η*, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.
Για την πρακτική χρήση αυτής της τεχνικής, είναι σημαντικό να αξιολογηθεί η μορφή των καμπυλών υπό κατάλληλες συνθήκες. Μια ελάχιστη συχνότητα 0,01 Hz μπορεί να είναι επαρκής για την αξιολόγηση του δυναμικού σταθερότητας, αλλά η μετάβαση σε ένα μέγεθος συχνότητας χαμηλότερο από αυτό, αν και πιο χρονοβόρα, θα παρέχει μια πιο ακριβή εικόνα των τάσεων χαμηλών συχνοτήτων. Η θερμοκρασία δοκιμής είναι επίσης σημαντική, δεδομένου ότι η δομική χαλάρωση θα συμβεί γενικά σε μικρότερες χρονικές κλίμακες με την αύξηση των θερμοκρασιών λόγω ταχύτερου ρυθμού δομικής αναδιάταξης. Επομένως, η δοκιμή σε υψηλότερες θερμοκρασίες μπορεί να αναπαράγει καλύτερα τις πραγματικές συνθήκες αποθήκευσης και ενδεχομένως να διευκολύνει την επιλογή προβληματικών δειγμάτων. Είναι, ωστόσο, σημαντικό κατά την εργασία σε υψηλότερες θερμοκρασίες για μεγάλες χρονικές κλίμακες να αποφεύγεται η εξάτμιση του δείγματος.
Αυτό το σημείωμα εφαρμογής παρουσιάζει τη μεθοδολογία και τα δεδομένα από τη δοκιμή συχνότητας ταλάντωσης για μια σειρά από πηκτώματα ντους και την ικανότητά τους να αναστέλλουν τις διασκορπισμένες φυσαλίδες στα σκευάσματα.
Πειραματικό
- Μια σειρά από πηκτές για ντους που περιείχαν διάφορα επίπεδα ενός πολυμερούς που πυκνώνει τον συσχετισμό (από 0% έως 8%) αξιολογήθηκαν ως προς την ικανότητά τους να αναστέλλουν φυσαλίδες σε θερμοκρασία δωματίου για παρατεταμένες περιόδους.
- Οι μετρήσεις με περιστροφικό ρεόμετρο πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ενός ρεομέτρου Kinexus με φυσίγγιο πλάκας Peltier και σύστημα μέτρησης κώνου και πλάκας1 και με τη χρήση τυποποιημένων προκαθορισμένων ακολουθιών στο λογισμικό rSpace.
- Χρησιμοποιήθηκε μια τυποποιημένη ακολουθία φόρτωσης για να εξασφαλιστεί ότι τα δείγματα υπόκεινται σε ένα συνεπές και ελεγχόμενο πρωτόκολλο φόρτωσης. ∙ Όλες οι ρεολογικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στους 25°C, εκτός εάν αναφέρεται ρητά.
- Πραγματοποιείται σάρωση πλάτους ελεγχόμενης παραμόρφωσης για τη μέτρηση του μήκους της γραμμικής ιξωδοελαστικής περιοχής (Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER) και για τον προσδιορισμό της κατάλληλης τιμής παραμόρφωσης που θα χρησιμοποιηθεί στην επόμενη δοκιμή σάρωσης συχνότητας (ο προσδιορισμός της Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER είναι αυτοματοποιημένος στο λογισμικό rSpace και η τιμή της παραμόρφωσης που προσδιορίζεται προωθείται στο επόμενο μέρος της ακολουθίας).
- Πραγματοποιείται σάρωση συχνότητας στην προκαθορισμένη τιμή τάσης εντός του Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER, μεταξύ των προεπιλεγμένων τιμών 10 Hz και 0,005 Hz.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Το Σχήμα 3 παρουσιάζει τα δεδομένα σάρωσης συχνότητας για το φάσμα των προϊόντων αφρόλουτρου που δοκιμάστηκαν. Είναι σαφές ότι η αύξηση της συγκέντρωσης του συνδετικού πηκτικού αυξάνει τον βαθμό ελαστικότητας, όπως επισημαίνεται από την αύξηση του G' και τη μείωση της γωνίας φάσης. Αυτή η ελαστικότητα προκύπτει μέσω της διασταυρούμενης σύνδεσης των επιφανειοδραστικών μικκυλίων, τα οποία μπορούν να σχηματίσουν μια δομή που μοιάζει με πηκτή στις κατάλληλες συγκεντρώσεις.
Τα δείγματα με 6% και 8% συσχετιζόμενο πολυμερές έχουν υψηλότερες τιμές του G' στις χαμηλές συχνότητες που υποδηλώνουν μεγαλύτερο βαθμό διασταύρωσης, ενώ η τιμή και η κατεύθυνση της γωνίας φάσης δείχνει ότι τα υλικά αυτά παρουσιάζουν στερεή ή πηκτωματοειδή συμπεριφορά σε αυτό το εύρος συχνοτήτων. Αυτό είναι ευνοϊκό για τη σταθερότητα, δεδομένου ότι υποδηλώνει την πιθανότητα ύπαρξης τάσης διαρροής ή τουλάχιστον υψηλού ιξώδους μηδενικής διάτμησης στις χαμηλές συχνότητες.
Για τα δείγματα με χαμηλότερες τιμές του συσχετιζόμενου πολυμερούς, το G" είναι κυρίαρχο και η γωνία φάσης αυξάνεται με τη μείωση της συχνότητας, υποδεικνύοντας έτσι δομική χαλάρωση και συνεπώς συμπεριφορά που μοιάζει με υγρό σε αυτή την περιοχή συχνοτήτων, η οποία δεν είναι και τόσο ευνοϊκή για τη σταθερότητα.
Αυτό αντικατοπτρίζεται επίσης στο σύνθετο ιξώδες, η* (βλ. Σχήμα 4), με το πλύσιμο σώματος που δεν περιέχει πολυμερές πρόσθετο να παρουσιάζει ένα πλατώ μηδενικού ιξώδους διάτμησης (δηλαδή συμπεριφορά που μοιάζει με υγρό) με τιμή περίπου 5 Pas. Αντίθετα, το δείγμα με 8% συζευκτικό πολυμερές εμφανίζει συμπεριφορά νόμου δύναμης στο ίδιο εύρος με ιξώδες κοντά στα 1000 Pas στα 0,01 Hz. Το κατά πόσον το τελευταίο θα παρουσίαζε πλατώ σε χαμηλότερες συχνότητες μπορεί να αξιολογηθεί μόνο με δοκιμές σε χαμηλότερες συχνότητες (ή εναλλακτικά με δοκιμές ερπυσμού), αλλά πάντως το ιξώδες σε αυτές τις χαμηλότερες συχνότητες θα πρέπει να είναι αρκετά υψηλό ώστε να επιβραδύνει την καθίζηση μιας διασκορπισμένης φάσης.
Συμπέρασμα
Είναι δυνατή η πρόβλεψη της σταθερότητας διασποράς με την εκτέλεση δοκιμής σάρωσης συχνότητας εντός του Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER υπό τις κατάλληλες συνθήκες μέτρησης. Αυτό έχει αποδειχθεί για πέντε προϊόντα αφρόλουτρου που περιέχουν διάφορες συγκεντρώσεις ενός συνεργατικού πυκνωτικού παράγοντα. Τα δείγματα με υψηλά επίπεδα πολυμερούς παρουσιάζουν συμπεριφορά τύπου πηκτής με υψηλότερες τιμές του G' και χαμηλή γωνία φάσης η οποία δεν αυξάνεται προς τις χαμηλότερες συχνότητες. Τα δείγματα αυτά αποδείχθηκε ότι μπορούν να αιωρούν φυσαλίδες για παρατεταμένες χρονικές περιόδους.
Παρακαλώ σημειώστε ...
ότι μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί γεωμετρία παράλληλης πλάκας ή κυλινδρική γεωμετρία. Μια γεωμετρία με αμμοβολή θα πρέπει να εξεταστεί εάν το υλικό είναι πιθανό να εμφανίσει φαινόμενα ολίσθησης των τοιχωμάτων. Larger γεωμετρίες είναι χρήσιμες για μετρήσεις σε χαμηλές ροπές, οι οποίες είναι πιο πιθανό να συναντηθούν σε χαμηλότερες συχνότητες. Συνιστάται επίσης η χρήση παγίδας διαλύτη για αυτές τις δοκιμές, καθώς η εξάτμιση του διαλύτη (π.χ. , νερό) γύρω από τα άκρα του συστήματος μέτρησης μπορεί να ακυρώσει τη δοκιμή, ιδίως όταν εργάζεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες.