Johdanto
Dispersion tai emulsion pitkäaikaisen stabiilisuuden arviointi voi olla työläs ja aikaa vievä prosessi, mutta se on kuitenkin olennaisen tärkeää sen varmistamiseksi, että tuote täyttää laatuvaatimukset. Formuloijat saavuttavat stabiilisuuden usein yhdistelmällä vaikutuksia: minimoimalla rajapintajännitystä, lisäämällä dispersiofaasin steriittistä tai sähköstaattista hylkimistä ja/tai lisäämällä jatkuvan faasin viskositeettia. Laimeiden dispersioiden osalta näiden tekijöiden yhteisvaikutus näkyy usein nollaviskositeettina, joka voi antaa viitteitä siitä, kuinka nopeasti pisarat sulautuvat yhteen ja erottuvat toisistaan tai dispersiot laskeutuvat. Konsentroituneemmissa systeemeissä voi esiintyä verkostorakenteen muodostumista dispergoituneen faasin vuorovaikutuksen tai hiukkasten ja pisaroiden jumiutumisen kautta. Tällöin stabiilisuus liittyy suurelta osin verkostorakenteen lujuuteen, joka voidaan mitata myötöjännityksen avulla.
Stabiilisuuden kannalta myötöjännityksen on oltava suurempi kuin painovoiman vaikutuksesta dispersiosta aiheutuva jännitys. Tämä voidaan arvioida seuraavan yhtälön avulla:
Myötörajan määrittämiseksi on olemassa useita kokeellisia testejä. Yksi nopeimmista ja helpoimmista menetelmistä on suorittaa leikkausjännityksen pyyhkäisy ja määrittää jännitys, jossa viskositeettipiikki havaitaan. Ennen tätä viskositeettihuippua materiaalissa tapahtuu elastinen muodonmuutos. Tämä huippu edustaa siis pistettä, jossa elastinen rakenne hajoaa (myötää) ja materiaali alkaa virrata.
Jotta järjestelmä olisi stabiili, myötöjännityksen on oltava riittävä kestämään sekä dispergoituneiden hiukkasten aiheuttamat rasitukset että myös ylimääräiset rasitukset, joita todennäköisesti esiintyy esimerkiksi tuotteen kuljetuksen aikana.
Tässä sovellusmuistiossa esitetään menetelmät ja tiedot kahden suihkugeelituotteen (vartaloveden) stabiilisuuden arvioimiseksi suhteessa niiden kykyyn suspendoida kuplia, mikä on tuotteen vaatimus.
Kokeellinen
- Kaksi kaupallista suihkugeelituotetta arvioitiin; toinen sisälsi vain pinta-aktiivista ainetta ja toinen pinta-aktiivista ainetta ja assosiatiivista sakeuttamisainetta.
- Jälkimmäinen tuote on erityisesti muotoiltu siten, että se pystyy pidättämään kuplia pullossa, kun tuote on hyllyssä (huomautus - kuplien vaikutuksen eliminoimiseksi reologiseen käyttäytymiseen tämän näytteen kuplat poistettiin sentrifugoimalla ennen testausta).
- rSpace -ohjelmistossa käytettiin hiukkasjännityslaskuria, jolla voitiin laskea dispersoidun hiukkasen aiheuttama jännitys ympäröivään medium-ympäristöön, kun hiukkasen ominaisuudet olivat käyttäjän syötteitä (ks. yhtälö 1).
- Pyörimisreometrimittaukset tehtiin Kinexus-reometrillä, jossa oli Peltier-levypatruuna ja kartio- ja levymittausjärjestelmä1, ja käyttäen rSpace -ohjelmiston vakiomuotoisia, valmiiksi konfiguroituja sekvenssejä.
- Standardikuormitusjaksoa käytettiin sen varmistamiseksi, että molemmille näytteille tehtiin yhdenmukainen ja hallittavissa oleva kuormitusprotokolla.
- Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa.
- Leikkausjännitysramppi suoritettiin, ja tiedot analysoitiin käyttämällä huippuanalyysiä myötörajan määrittämiseksi.
- Tuotteen myötöjännityksen suuruutta verrataan sitten dispergoitujen hiukkasten ominaisuuksien perusteella laskettuun pakotettuun jännitykseen järjestelmän pitkän aikavälin vakauden arvioimiseksi.
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 1 esitetään kahden suihkugeelinäytteen viskositeetin ja rasituksen väliset käyrät rasitusramppitestissä. Vartalovesi 2:n tiedoissa näkyy selkeä viskositeettipiikki rasitusramppitestissä, kun taas vartalovesi 1:n tiedot ovat suhteellisen tasaisia. Tämä viittaa siihen, että Bodywash 2:lla esiintyy myötörajaan liittyvää venymiskovettumista, kun taas Bodywash 1 käyttäytyy kuin neste, jonka leikkausviskositeetti on nolla.
Joissakin tapauksissa viskoelastisilla nesteillä voi esiintyä pieni viskositeettihuippu, vaikka niillä ei ole todellista myötörajaa. Tällöin saatetaan tarvita käyttäjän harkintaa tai vaihtoehtoisesti varmistusta käyttämällä vaihtoehtoista testiä, kuten virumiskokeen tai leikkausnopeustestin, nollaviskositeetin2 vahvistamiseksi.
Bodywash 2:n mitattu myötöraja oli 4 Pa.
Yhtälön 1 avulla voidaan ennustaa, että halkaisijaltaan 100 μm:n ilmakuplan aiheuttama jännitys olisi noin 0,65 Pa, joten 4 Pa:n myötöjännityksen pitäisi riittää kuplavaiheen pysäyttämiseen, vaikka kuljetuksen aikana esiintyvät lisäjännitykset ja lämpötilan noususta johtuva verkoston lujuuden mahdollinen aleneminen on myös otettava huomioon.
Koska Bodywash 1:llä ei ole myötörajaa, stabiilisuuden arvioimiseksi tarvitaan tarkkaa arvoa nollaviskositeetin leikkausviskositeetille, esimerkiksi virumiskokeesta saatua analyysia. Tämän testin tietojen mukaan nollaviskositeetti oli 8 Pas, ja tämän luvun perusteella 100 μm:n kuplan nousunopeudeksi ennustettiin noin 6 cm päivässä. Tätä ei selvästikään voida hyväksyä dispergoidun järjestelmän pitkäaikaisen vakauden ylläpitämiseksi, ja myötörajan sisällyttäminen olisi välttämätöntä, jotta kuplia suspendoivalle tuotteelle saataisiin vaadittu pitkäaikainen vakaus ja säilyvyys.
Päätelmä
Kahta suihkugeelituotetta verrattiin saantorasitustestin avulla. Vartalovesi 2:n, joka sisältää assosiatiivista sakeuttamisainetta, myötöjännityksen osoitettiin olevan sellainen, että se pystyy pidättämään kaasukuplat. Vartaloveden 1, joka ei sisällä ylimääräistä sakeuttamisainetta, nollaviskositeetti oli riittämätön edistämään pitkäaikaista stabiilisuutta. Testi tarjoaa näin ollen nopean ja kätevän tavan ennustaa suspensioiden stabiilisuus tietylle hiukkaskoolle ja tiheydelle.
Huomaa...
että myös yhdensuuntaista levygeometriaa voidaan käyttää - tämä geometria on suositeltavampi dispersioiden ja emulsioiden osalta, joiden hiukkaskoko on large. Tällaiset materiaalityypit saattavat myös vaatia hammastettujen tai karhennettujen geometrioiden käyttöä, jotta vältetään geometrian pinnalla tapahtuvaan liukastumiseen liittyvät artefaktat.