Introduction
L'évaluation de la stabilité à long terme d'une dispersion ou d'une émulsion peut être un processus à la fois fastidieux et chronophage ; elle est cependant essentielle pour garantir qu'un produit réponde aux normes de qualité. Les formulateurs obtiennent souvent la stabilité par une combinaison d'effets : minimisation de la tension interfaciale, augmentation de la répulsion stérique ou électrostatique de la phase dispersée et/ou augmentation de la viscosité de la phase continue. Pour les dispersions diluées, l'effet combiné de ces facteurs peut souvent se refléter dans la viscosité à cisaillement nul, qui peut donner une indication de la vitesse à laquelle les gouttelettes coalescent et se séparent, ou à laquelle les dispersions se déposent. Pour les systèmes plus concentrés, la formation d'une structure en réseau par l'interaction des phases dispersées ou le blocage des particules/gouttelettes peut se produire. Dans ce cas, la stabilité sera largement liée à la force de la structure du réseau, qui peut être quantifiée par la limite d'élasticité.
Pour assurer la stabilité, la limite d'élasticité doit être supérieure à la contrainte imposée par la phase dispersée sous l'influence de la gravité. Elle peut être estimée à partir de l'équation suivante :
Il existe un certain nombre de tests expérimentaux pour déterminer la limite d'élasticité. L'une des méthodes les plus rapides et les plus simples consiste à effectuer un balayage de la contrainte de cisaillement et à déterminer la contrainte à laquelle un pic de viscosité est observé. Avant ce pic de viscosité, le matériau subit une déformation élastique. Ce pic représente donc le point où la structure élastique se brise (cède) et où le matériau commence à s'écouler.
Pour qu'un système soit stable, la limite d'élasticité doit être suffisante pour résister aux contraintes imposées par les particules dispersées, mais aussi aux contraintes supplémentaires susceptibles d'être rencontrées lors du transport du produit par exemple.
Cette note d'application présente la méthodologie et les données permettant d'évaluer la stabilité de deux gels douche par rapport à leur capacité à suspendre les bulles, ce qui est une exigence du produit.
Expérimental
- Deux gels douche commerciaux ont été évalués, l'un contenant uniquement un agent tensioactif et l'autre contenant un agent tensioactif et un épaississant associatif.
- Ce dernier produit a été spécifiquement formulé pour pouvoir suspendre les bulles dans la bouteille pendant que le produit est en rayon (note - pour éliminer l'influence des bulles sur le comportement rhéologique, les bulles de cet échantillon ont été éliminées par centrifugation avant le test).
- Un calculateur de contrainte des particules a été utilisé dans le logiciel rSpace pour calculer la contrainte imposée par une particule dispersée sur le milieu environnant medium, les propriétés des particules étant entrées par l'utilisateur (voir l'équation 1).
- Les mesures au rhéomètre rotatif ont été effectuées à l'aide d'un rhéomètre Kinexus équipé d'une cartouche à plaque Peltier et d'un système de mesure à cône et à plaque1, et en utilisant des séquences standard préconfigurées dans le logiciel rSpace.
- Une séquence de chargement standard a été utilisée pour s'assurer que les deux échantillons étaient soumis à un protocole de chargement cohérent et contrôlable.
- Toutes les mesures rhéologiques ont été effectuées à 25°C.
- Une rampe de contrainte de cisaillement a été effectuée et les données ont été analysées à l'aide d'une analyse de crête pour déterminer la limite d'élasticité.
- L'ampleur de la contrainte d'écoulement du produit est ensuite comparée à la contrainte imposée calculée à partir des propriétés des particules dispersées afin d'évaluer la stabilité à long terme du système.
Résultats et discussion
La figure 1 montre les courbes de viscosité en fonction de la contrainte pour les deux échantillons de gel douche dans le test de rampe de contrainte. Les données pour le gel douche 2 montrent un pic de viscosité clair dans l'essai de rampe de contrainte, alors que les données pour le gel douche 1 sont relativement plates. Cela signifie que le gel douche 2 présente un écrouissage associé à une limite d'élasticité, tandis que le gel douche 1 se comporte comme un liquide avec une viscosité de cisaillement nulle.
Dans certains cas, les liquides viscoélastiques peuvent présenter un léger pic de viscosité même s'ils ne possèdent pas de véritable limite d'élasticité. Dans ce cas, l'utilisateur doit faire preuve de discernement ou confirmer la présence d'une viscosité à cisaillement nul à l'aide d'un autre test tel qu'un test de fluage ou un test de vitesse de cisaillement2.
La limite d'élasticité mesurée pour le Bodywash 2 était de 4 Pa.
En utilisant l'équation 1, nous pouvons prédire que la contrainte imposée par une bulle d'air de 100 μm de diamètre serait d'environ 0,65 Pa, donc une limite d'élasticité de 4 Pa devrait être suffisante pour suspendre la phase de bulle, bien que les contraintes supplémentaires rencontrées pendant le transport et la réduction potentielle de la résistance du réseau en raison de l'augmentation de la température doivent également être prises en compte.
Comme le Bodywash 1 n'a pas de limite d'élasticité, une valeur précise de la viscosité à cisaillement nul est nécessaire pour évaluer la stabilité, comme l'analyse d'un essai de fluage. Les données de ce test ont montré que la viscosité de cisaillement zéro était de 8 Pas et, à partir de ce chiffre, un taux de montée des bulles d'environ 6 cm par jour a été prédit pour une bulle de 100 μm. Ceci est clairement inacceptable pour maintenir la stabilité à long terme du système dispersé, et l'incorporation d'une limite d'élasticité serait nécessaire pour obtenir la stabilité à long terme et la durée de conservation requises pour un produit à bulles en suspension.
Conclusion
Deux gels douche ont été comparés à l'aide d'un test de rampe de contrainte d'élasticité. Le gel douche 2, qui contient un épaississant associatif, s'est avéré avoir une limite d'élasticité capable de suspendre les bulles de gaz. Le gel douche 1, qui ne contient pas d'épaississant supplémentaire, avait une viscosité à cisaillement nul insuffisante pour promouvoir la stabilité à long terme. Le test offre donc un moyen rapide et pratique de prédire la stabilité d'une suspension pour une taille de particule et une densité données.
A noter...
qu'une géométrie à plaques parallèles peut également être utilisée - cette géométrie étant préférée pour les dispersions et les émulsions dont la taille des particules est de large. Ces types de matériaux peuvent également nécessiter l'utilisation de géométries dentelées ou rugueuses pour éviter les artefacts liés au glissement à la surface de la géométrie.