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. Yksi tapa määrittää tämän alhaisen leikkausviskositeetin (nollaviskositeetin) olemassaolo ja sen suuruus on virumiskoe. Tässä testissä käytetään vakiojännitystä pitkän ajanjakson ajan ja seurataan tuloksena syntyvää venymää tai mukautumista (venymä/jännitys) ajan funktiona.
Kuten kuvassa 1 on esitetty, puhtaasti viskoosisen materiaalin joustavuus kasvaa jatkuvasti ajan myötä, mikä on merkki virtauksesta eli viskoosisen vasteen pysyvyydestä. Sitä vastoin kiinteässä aineessa gradientti on nolla, mikä viittaa kimmoiseen vasteeseen.
Viskoelastisten materiaalien vaste on viskoosisten ja elastisten vaikutusten yhdistelmä, kuten kuvassa 2 on esitetty, ja vaste pitkillä aikajaksoilla osoittaa, onko kyseessä myötörajoite (elastinen) vai vakaan tilan viskoosinen vaste (viskoosinen). Jos materiaalilla on viskoosinen vaste tasaisessa tilassa, leikkausviskositeetti nollassa on yksinkertaisesti käänteinen gradientti, joka saadaan kuviosta "compliance vs. aika".
Jos dispergoituneen faasin keskimääräinen hiukkaskoko, TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys ja tilavuusosuus tunnetaan ja jatkuvan faasin nollaviskositeetti määritetään, voidaan dispergoituneen faasin nopeus (V) arvioida käyttämällä Stokesin yhtälön seuraavaa muunnosta:
a = hiukkasen säde (pallo)
Δρ = hiukkasen ja nesteen välinen tiheysero
η = nesteen viskositeetti (nollaviskositeetti)
g = painovoiman aiheuttama kiihtyvyys
φ = faasin tilavuus
Eksponentin arvo on yleensä 4,75 säteen ollessa >1 μm ja 5,25 säteen ollessa <1 μm.
Tämän jälkeen dispersio voidaan mahdollisesti muotoilla uudelleen, jotta saadaan alhainen leikkausviskositeetti, joka riittää suspendoimaan dispergoidun faasin vaadituksi ajaksi, tai vaihtoehtoisesti saadaan aikaan myötöraja, joka antaa kiinteän kaltaisen vasteen pitkällä aikavälillä.
Virumiskokeen suorittamisessa on tärkeää, että tasapainotilan saavuttamiseen annetaan riittävästi aikaa. Jos näin ei tapahdu, nollaviskositeetin arvo saatetaan ilmoittaa liian alhaisena tai sitten oletetaan virheellisesti, että materiaalilla on nollaviskositeetti, vaikka sillä todellisuudessa on myötöraja. Koska dispersiot voivat olla hyllyssä häiriöttöminä viikkoja tai jopa kuukausia kerrallaan, tämä on otettava huomioon kaikissa testausprotokollissa.
Tässä sovellusmuistiossa esitetään kahden kaupallisen suihkugeelituotteen virumistestauksen menetelmät ja tiedot.
Kokeellinen
- Kaksi kaupallista suihkugeelituotetta arvioitiin; toinen sisälsi vain pinta-aktiivista ainetta ja toinen pinta-aktiivista ainetta ja assosiatiivista sakeuttamisainetta.
- Pyörimisreometrimittaukset tehtiin Kinexus-reometrillä, jossa oli Peltier-levypatruuna ja kartio- ja levymittausjärjestelmä1, ja käyttäen rSpace -ohjelmiston vakiomuotoisia, valmiiksi konfiguroituja sekvenssejä.
- Vakioidun lataussekvenssin avulla 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 seuraavassa virumiskokeessa käytettävän sopivan jännitysarvon määrittämiseksi (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).
- Virumiskoe suoritetaan Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER:n sisällä ennalta määritellyllä jännitysarvolla, ja lopputilanteeksi asetetaan vakaan tilan saavuttaminen (määriteltyjen toleranssiehtojen puitteissa).
- Tietojen analysointi suoritetaan käyttämällä toimintoa "Zero shear viscosity from creep data"
- Ohjelmiston Stokesin lakilaskuri arvioi sen jälkeen hiukkasten sedimentaationopeuden mitatun viskositeetin ja käyttäjän syöttämien hiukkasten ominaisuuksia koskevien muuttujien perusteella.
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 3 esitetään kahden suihkugeelituotteen virumisvaste logaritmisella asteikolla. On selvää, että molemmilla tuotteilla on samankaltainen alkuvaiheen kimmovaste, mutta viivästyneessä kimmovasteessa on eroja, jotka ilmenevät vakaan tilan saavuttamiseen vaadittavasta aikaskaalasta. Tässä testissä käytetty vakaan tilan toleranssialue oli ± 1 %:n sisällä 60 sekunnin ajan. Näyte A osoittaa selvästi vakaan tilan käyttäytymistä lähes välittömästi, kun taas näytteessä B on jonkin verran jäännösjoustoa.
Kuvassa 4 on sama kuvaaja, mutta siinä käytetään lineaarista asteikkoa. Näin on helpompi erottaa eroavaisuudet vaatimustenmukaisuuden ja ajan välisessä kaltevuudessa. Koska η0 saadaan käyrän vakaan tilan osan käänteisgradientista, on selvää, että näytteen B nollaviskositeetti on suurempi kuin näytteen A. Nämä arvot laskettiin automaattisesti osana testiä, ja niiden todettiin olevan 6 Pas näytteelle A ja 12 Pas näytteelle B. Näytteen A ja näytteen B arvot laskettiin automaattisesti testin yhteydessä. Yhtälön 1 mukaan tämä tarkoittaa, että näyte B vähentäisi sedimentoitumisnopeutta kertoimella 2, kun kyseessä on suspensio, jonka hiukkaset ja tilavuusjakeet vastaavat toisiaan. Se, ovatko nämä viskositeettiarvot riittäviä tehokkaan stabiilisuuden aikaansaamiseksi, riippuu dispergoidun faasin ominaiskoosta, tiheydestä ja tilavuudesta, jotka on määritettävä riippumattomilla tekniikoilla.
Päätelmät
Virumiskokeet ovat tehokas keino määrittää materiaalin nollaviskositeetti, ja niitä voidaan käyttää suspension vakauden arviointiin.
Tässä testissä on osoitettu, että small määrä assosiatiivista sakeuttamisainetta voi kaksinkertaistaa pinta-aktiiviseen aineeseen perustuvan suihkugeelin leikkausnollaviskositeetin ja vähentää sedimentoitumisnopeutta kaksinkertaiseksi (vastaavien hiukkasten ja tilavuusosuuksien suspensioissa).
1Huomaa, että voidaan käyttää myös yhdensuuntaista levygeometriaa tai sylinterimäistä geometriaa. Näissä testeissä suositellaan myös liuotinloukun käyttöä, koska liuottimen (esim. veden) haihtuminen mittausjärjestelmän reunoille voi mitätöidä testin, erityisesti silloin, kun työskennellään korkeammissa lämpötiloissa.