Johdanto
Se, onko emulsion tai suspensioiden pitkäaikainen stabiilisuus riippuvainen niiden mikrorakenteesta, määräytyykö se nollaviskositeetin vai myötörajan mukaan. Lisäksi tämän mikrorakenteen tila pitkällä aikavälillä on tärkeä, koska se on viime kädessä se, mitä kaikki dispergoituneet faasit kohtaavat pitkäaikaisen varastoinnin aikana.
On olemassa useita testejä, joilla voidaan arvioida reologisten ominaisuuksien muutoksia ajan funktiona. Virumiskoe soveltuu tehtävään erinomaisesti, koska siinä tarkastellaan vastetta kohdistettuun jännitykseen suoraan ajan funktiona. Toinen käyttökelpoinen testi on värähtelytaajuuspyyhkäisy, jossa näytettä värähtelee peräkkäin useilla eri taajuuksilla. Koska taajuus on ajan käänteisluku, korkeat taajuudet vastaavat lyhyitä aikajaksoja ja matalat taajuudet pitkiä aikajaksoja. On huomattava, että aika-asteikko vastaa kulmataajuutta (ω) eikä syklitaajuutta värähtelytestauksessa.
Arvioimalla kimmomoduulin (tai varastointimoduulin) G', viskoosimoduulin (tai häviömoduulin) G" ja vaihekulman δ muutoksia rajoitetulla taajuusalueella voidaan määrittää, onko materiaalilla todennäköisesti myötöraja tai nollaviskositeetti ja onko sillä myös mahdollisia stabiilisuusongelmia. Kuvassa 1 on esimerkkejä eri materiaalien yleisistä taajuusvasteista. Jos G' ylittää G" pienillä taajuuksilla, esim. <0,01 Hz, voidaan päätellä, että materiaalilla on verkostomainen rakenne, joka on hajotettava ennen virtauksen alkamista, eli sillä on MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys. Jos G" ylittää G':n pienillä taajuuksilla, tämä osoittaa, että makroskooppista virtausta voi esiintyä, ja tällöin stabiilisuutta säätelee todennäköisesti nollaleikkausviskositeetti tai viskositeetti, joka vastaa dispergoituneen faasin aiheuttamaa jännitystä.
Koska näitä hyvin matalia taajuuksia on vaikea saavuttaa reometrillä pitkien testiaikojen vuoksi, on hyödyllistä arvioida käyrien yleistä muotoa. Koska vaihekulma δ ja KimmomoduuliKompleksinen moduuli (kimmokomponentti), varastointimoduuli tai G', on näytteiden "todellinen" osa kokonaiskompleksisesta moduulista. Tämä kimmokomponentti ilmaisee mitattavan näytteen kiinteän kaltaisen tai faasivasteen. kimmomoduuli G' ovat yleisiä rakenneominaisuuksien indikaattoreita, taajuuden pienentyessä tapahtuvan muutoksen suuruus ja suunta voivat osoittaa materiaalin vasteen luonteen pidemmillä aikajaksoilla.
- Jos G' on suurelta osin riippumaton taajuudesta ja vaihekulma pysyy joko vakiona tai pienenee taajuuden pienentyessä, kuten viskoelastisessa kiinteässä tai geelimäisessä rakenteessa, voidaan päätellä, että materiaali säilyttää todennäköisemmin verkostomaisen rakenteensa ja se on vakaampi.
- Jos vaihekulma δ kasvaa ja G' pienenee taajuuden pienentyessä, tämä osoittaa, että rakenteen elastiset elementit (verkosto) rentoutuvat ja muuttuvat nestemäisiksi, jolloin stabiilisuus todennäköisesti heikkenee.
.
Näiden havaintojen pitäisi näkyä myös kompleksisessa viskositeetissa η*, joka nesteiden osalta osoittaa leikkausviskositeetin nollatasanteen alkamista kohti matalampia taajuuksia, kun taas kiinteissä aineissa, joilla on verkkorakenne, olisi havaittava η*:n jatkuvasti kasvava arvo, kuten kuvassa 2 on esitetty.
Tämän tekniikan käytännön käytön kannalta on tärkeää arvioida käyrien muoto sopivissa olosuhteissa. Vähintään 0,01 Hz:n taajuus voi riittää stabiliteettipotentiaalin arviointiin, mutta tätä pienempiin taajuusmääriin meneminen, vaikka se viekin enemmän aikaa, antaa tarkemman kuvan matalien taajuuksien suuntauksista. Testilämpötila on myös tärkeä, koska rakenteellinen relaksaatio tapahtuu yleensä lyhyemmällä aikavälillä lämpötilan noustessa, koska rakenteellinen uudelleenjärjestäytyminen nopeutuu. Siksi testaus korkeammissa lämpötiloissa voi paremmin jäljitellä todellisia varastointiolosuhteita ja mahdollisesti helpottaa ongelmanäytteiden erottamista. On kuitenkin tärkeää, että näytteen haihtuminen estetään, kun työskennellään korkeammissa lämpötiloissa pitkiä aikajaksoja.
Tässä sovellusmuistiossa esitellään menetelmiä ja tietoja värähtelytaajuuden testaamisesta suihkugeeleillä ja niiden kyvystä suspendoida koostumuksiin dispergoituneita kuplia.
Kokeellinen
- Suihkugeelejä, jotka sisälsivät eri pitoisuuksia assosiatiivista sakeuttavaa polymeeriä (0-8 %), arvioitiin niiden kyvyn pidättää kuplia huoneenlämmössä pitkiä aikoja.
- Pyörimisreometrimittaukset tehtiin Kinexus-reometrillä, jossa oli Peltier-levypatruuna ja kartio- ja levymittausjärjestelmä1 , ja käyttäen rSpace -ohjelmiston vakiomuotoisia, valmiiksi määritettyjä sekvenssejä.
- Vakioidulla lataussekvenssillä varmistettiin, että näytteisiin sovellettiin johdonmukaista ja hallittavissa olevaa latausprotokollaa. ∙ Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa, ellei erikseen mainita.
- Jännitysohjattu amplitudipyyhkäisy suoritetaan lineaarisen viskoelastisen alueen (Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER) pituuden mittaamiseksi ja sopivan jännitysarvon määrittämiseksi seuraavassa taajuuspyyhkäisytestissä käytettäväksi (Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER:n määritys on automatisoitu rSpace -ohjelmistossa, ja määritetty jännitysarvo syötetään eteenpäin jakson seuraavaan osaan).
- Taajuuspyyhkäisy suoritetaan Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER:ssä ennalta määritetyllä venymäarvolla 10 Hz:n ja 0,005 Hz:n oletusarvojen välillä.
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 3 esitetään testattujen suihkugeelituotteiden taajuuspyyhkäisytiedot. On selvää, että assosiatiivisen sakeuttamisaineen pitoisuuden lisääminen lisää elastisuutta, mikä näkyy G':n kasvuna ja vaihekulman pienenemisenä. Tämä elastisuus johtuu pinta-aktiivisten mikkelien ristisilloittumisesta, joka voi oikeilla pitoisuuksilla muodostaa geelimäisen rakenteen.
Näytteillä, joissa on 6 ja 8 % assosiatiivista polymeeriä, on korkeammat G' -arvot matalilla taajuuksilla, mikä osoittaa ristisilloittumisen laajuutta, kun taas vaihekulman arvo ja suunta osoittavat, että nämä materiaalit käyttäytyvät kiinteästi tai geelimäisesti tällä taajuusalueella. Tämä on vakauden kannalta suotuisaa, koska se osoittaa myötörajan tai ainakin korkean nollaleikkausviskositeetin todennäköisyyden matalilla taajuuksilla.
Näytteissä, joissa assosiatiivisen polymeerin arvot ovat alhaisemmat, G" on hallitseva ja vaihekulma kasvaa taajuuden laskiessa, mikä viittaa rakenteelliseen relaksaatioon ja siten nestemäiseen käyttäytymiseen tällä taajuusalueella, mikä ei ole vakauden kannalta suotuisaa.
Tämä näkyy myös kompleksisessa viskositeetissa η* (ks. kuva 4), jossa vartalopesuaineessa, joka ei sisällä polymeerilisäainetta, on nollaviskositeettitaso (eli nestemäinen käyttäytyminen), jonka arvo on noin 5 Pas. Sitä vastoin näytteessä, jossa on 8 % assosioivaa polymeeriä, näkyy voimakkuussuhteen mukainen käyttäytyminen samalla alueella, ja viskositeetti on lähellä 1000 Pas:a 0,01 Hz:n taajuudella. Se, olisiko jälkimmäisessä näytteessä tasoa alemmilla taajuuksilla, voidaan arvioida vain testaamalla alemmilla taajuuksilla (tai vaihtoehtoisesti virumiskokeilla), mutta viskositeetin pitäisi kuitenkin näillä alemmilla taajuuksilla olla riittävän korkea hidastamaan dispersiofaasin sedimentoitumista.
Päätelmä
Dispersiovakaus on mahdollista ennustaa suorittamalla taajuuspyyhkäisytesti Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER:ssä asianmukaisissa mittausolosuhteissa. Tämä on osoitettu viidelle suihkugeelituotteelle, jotka sisältävät eri pitoisuuksia assosiatiivista sakeuttamisainetta. Näytteet, joissa on paljon polymeeriä, käyttäytyvät geelimäisesti, jolloin G':n arvot ovat korkeammat ja vaihekulma on pieni, eikä se kasva matalampia taajuuksia kohti. Näiden näytteiden on osoitettu kykenevän pidättämään kuplia pitkiä aikoja.
Huomaa ...
että voidaan käyttää myös yhdensuuntaista levygeometriaa tai lieriömäistä geometriaa. Hiekkapuhallusgeometriaa olisi harkittava, jos materiaalissa on todennäköisesti seinämän liukuva vaikutus. Suuremmat geometriat ovat hyödyllisiä mittauksissa pienillä vääntömomenteilla, joita esiintyy todennäköisemmin matalammilla taajuuksilla. Näissä testeissä suositellaan myös liuotinloukun käyttöä, koska liuottimen (esim. veden) haihtuminen mittausjärjestelmän reunoille voi mitätöidä testin, erityisesti silloin, kun työskennellään korkeammissa lämpötiloissa.