Introducción
Que la estabilidad a largo plazo de una emulsión o suspensión se rija por una viscosidad de cizallamiento cero o por un Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico depende de su microestructura. Además, lo importante es el estado de esta microestructura a largo plazo, ya que en última instancia es lo que cualquier fase dispersa encontrará durante un almacenamiento prolongado. Una forma de determinar la existencia y, en su caso, la magnitud de esta viscosidad de bajo cizallamiento (cizallamiento cero) es mediante un ensayo de fluencia. Este ensayo consiste en aplicar una tensión constante durante un periodo de tiempo prolongado y controlar la deformación o conformidad resultante (deformación/tensión) en función del tiempo.
Como se muestra en la figura 1, un material puramente viscoso mostrará un aumento constante de la elasticidad con el tiempo, lo que indica flujo, es decir, una respuesta viscosa en estado estacionario. Por el contrario, un sólido mostrará un gradiente cero, lo que indica una respuesta elástica.
En el caso de los materiales viscoelásticos, la respuesta será una combinación de efectos viscosos y elásticos, como se muestra en la figura 2, en la que la respuesta a tiempos largos indica si tiene un Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico (elástico) o una respuesta viscosa en estado estacionario (viscoso). Si el material muestra una respuesta viscosa en estado estacionario, la viscosidad de cizallamiento cero vendrá dada simplemente por el gradiente inverso del gráfico de la deformación en función del tiempo.
Si se conocen el tamaño medio de las partículas, la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad y la fracción volumétrica de la fase dispersa, y se determina la viscosidad de cizallamiento cero de la fase continua, se puede estimar la velocidad (V) de la fase dispersa mediante la siguiente modificación de la ecuación de Stokes:
a = el radio de la partícula (esfera)
Δρ = la diferencia de DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad entre la partícula y el líquido
η = la viscosidad del líquido (viscosidad de cizallamiento cero)
g = la aceleración debida a la gravedad
φ = el volumen de fase
El valor del exponente suele ser 4,75 para un radio >1 μm y 5,25 para un radio <1 μm.
Potencialmente, la dispersión puede entonces reformularse para obtener una viscosidad de bajo cizallamiento suficiente para suspender la fase dispersa durante el periodo requerido, o alternativamente para introducir un Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico que daría una respuesta similar a la del sólido durante largos periodos de tiempo.
Cuando se realiza un ensayo de fluencia, es importante dejar tiempo suficiente para que se alcance el estado estacionario. De lo contrario, es posible que se indique un valor demasiado bajo de la viscosidad de cizallamiento cero o que se suponga incorrectamente que el material tiene una viscosidad de cizallamiento cero cuando en realidad tiene un Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico. Dado que las dispersiones pueden permanecer en un estante sin ser alteradas durante semanas o incluso meses, esto debe tenerse en cuenta en cualquier protocolo de ensayo.
Esta nota de aplicación muestra la metodología y los datos de las pruebas de fluencia de dos productos comerciales de gel de ducha.
Experimental
- Se evaluaron dos productos comerciales de gel de ducha; uno contenía sólo tensioactivo y el otro contenía tensioactivo y un espesante asociativo.
- Las mediciones reométricas rotacionales se realizaron utilizando un reómetro Kinexus con un cartucho de placa Peltier y un sistema de medición de cono y placa1, y utilizando secuencias estándar preconfiguradas en el software rSpace.
- Se utilizó una secuencia de carga estándar para garantizar que las muestras se sometían a un protocolo de carga coherente y controlable.
- Todas las mediciones reológicas se realizaron a 25°C a menos que se indique específicamente.
- Se realiza un barrido de amplitud controlado por tensión para medir la longitud de la Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.región viscoelástica lineal (LVER) y determinar el valor de tensión adecuado que se utilizará en el ensayo de fluencia posterior (la determinación de la Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.LVER se automatiza con el software rSpace y el valor de tensión determinado se introduce en la siguiente parte de la secuencia).
- Se realiza un ensayo de fluencia con el valor de tensión predeterminado dentro del Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.LVER, estableciendo como condición final la consecución del estado estacionario (dentro de las condiciones de tolerancia definidas).
- El análisis de los datos se realiza mediante la acción "Viscosidad de cizallamiento cero a partir de los datos de fluencia"
- Una calculadora de la Ley de Stokes en el software estima entonces la velocidad de sedimentación de las partículas, basándose en la viscosidad medida y las variables introducidas por el usuario para las características de las partículas.
Resultados y debate
La figura 3 muestra la respuesta de fluencia de los dos productos de gel de ducha en una escala logarítmica. Es evidente que los dos productos muestran una respuesta elástica inicial similar; sin embargo, existen diferencias en la respuesta elástica retardada, como indica la escala de tiempo necesaria para alcanzar el estado estacionario. El intervalo de tolerancia del estado estacionario empleado en esta prueba fue de ± 1% durante 60 segundos. Claramente, la muestra A muestra un comportamiento de estado estacionario casi inmediatamente, mientras que la muestra B tiene cierta elasticidad residual.
La figura 4 muestra el mismo gráfico pero utilizando una escala lineal. Esto hace más fácil distinguir las diferencias en el gradiente de los gráficos de conformidad frente al tiempo. Dado que η0 viene dada por el gradiente inverso de la porción de estado estacionario de la curva, está claro que la muestra B tendrá una viscosidad de cizallamiento cero mayor que la muestra A. Estos valores se calcularon automáticamente como parte del ensayo y resultaron ser 6 Pas y 12 Pas para las muestras A y B, respectivamente. Según la ecuación 1, esto significa que la muestra B reduciría la velocidad de sedimentación en un factor de 2 para suspensiones de partículas y fracciones de volumen equivalentes. Que estos valores de viscosidad sean suficientes para proporcionar una estabilidad efectiva dependerá del tamaño específico, la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad y el volumen de la fase dispersa, que deben determinarse mediante técnicas independientes.
Conclusiones
El ensayo de fluencia es un medio eficaz para determinar la viscosidad de cizallamiento cero de un material y puede utilizarse para evaluar la estabilidad de la suspensión.
En esta prueba, se ha demostrado que una cantidad de small de un espesante asociativo puede duplicar la viscosidad de cizallamiento cero de un gel de ducha a base de tensioactivos y reducir la velocidad de sedimentación en un factor de dos (para suspensiones de partículas y fracciones de volumen equivalentes).
1Tengaen cuenta que también puede utilizarse una geometría de placa paralela o una geometría cilíndrica. También se recomienda el uso de una trampa de disolvente para estos ensayos, ya que la evaporación de disolvente (por ejemplo, agua) alrededor de los bordes del sistema de medición puede invalidar el ensayo, especialmente cuando se trabaja a temperaturas más elevadas.