Bevezetés
A féregszerű micellák (WLM) tulajdonságai kulcsfontosságú kutatási területet jelentenek mind a tudományos, mind az ipari életben. Ez elsősorban annak köszönhető, hogy széles körű alkalmazásuk van számos iparágban, a testápolóktól az olajvisszanyerésig. Egyszerű, költséghatékony módot kínálnak figyelemre méltó viszkozitás és viszkoelaszticitás létrehozására. "Intelligens" vagy ingerekre reagáló szerkezetekké alakíthatók, amelyek képesek átmenetet képezni egy másik, feltűnően eltérő reológiájú fázisba. Az ilyen válaszreakció nagy érdeklődésre tarthat számot az orvosbiológiai és gyógyszeradagolási alkalmazásokban, valamint a mikrofluidikai eszközökkel történő elválasztásokban.
A féregszerű micellák különböző tenzidrendszerek (anionos, kationos és zwitterionos) széles skálájából, valamint különböző blokk-kopolimerekből is kialakíthatók. A legfontosabb érdekesség az, hogy bár ilyen sokféle kémiai fajból képződhetnek, reológiai válaszuk feltűnően hasonló, és határozott reológiai jellegzetességgel rendelkeznek. Az elméleti fejlesztések, amelyek mára már jól megalapozottak és széles körben elfogadottá váltak, nemcsak a szerkezet kimutatását teszik lehetővé (amint az a határozott reológiai szignatúra révén feltárul), hanem fontos szerkezeti paraméterek kinyerését is lehetővé teszik.
Ez lehetővé teszi a kutatók számára, hogy betekintést nyerjenek abba, hogy a különböző formulázási körülmények, mint például az elektrolit szintje, a pH vagy a felületaktív anyag összetétele hogyan hat a kialakult féregszerű micellák mikroszerkezetére. A féregszerű micellák az esetek túlnyomó többségében felületaktív anyagokból képződnek, amelyek amfifil molekulák. A felületaktív anyag csomagolási paraméterétől függően a felületaktív anyagok a legkülönbözőbb mikroszerkezetekbe állhatnak össze (lásd az 1. táblázatot).
1. táblázat: A csomagolási paraméterek hatása a kialakult felületi mikroszerkezetre
Ha a csomagolási paraméter 1/2 és 1/3 között van, akkor a felületaktív molekulák rúdszerű micelláris elrendeződésbe rendeződhetnek. Termodinamikájuk alapján ezek a rúdszerű micellák növekvő koncentrációval, illetve elektrolit vagy társtenzid hozzáadásával tovább nőhetnek féregszerű micellákká, majd nematikus folyadékkristályokká (1. ábra).
Az 1. ábrán bemutatott különböző fázisok mindegyike eltérő reológiai jellemzőkkel rendelkezik. A legkifejezettebb és legegyértelműbb reológiai jegy a félig híg és koncentrált, féregszerű micelláké. A híg és a félhíg, valamint a koncentrált és a nematikus fázisok közötti átmeneteket szintén reológiai úton lehet követni.
Mivel ezek az elsődleges reológiát felépítő szerkezetek a különböző alkalmazások széles skáláján, reológiai jellegzetességeik, valamint a szerkezetük és a megfelelő reológia változásainak megértése a formuláció hozzáadásakor/változtatásakor kulcsfontosságú ismeret, amelyre mind a tudományos, mind az ipari kutatók vágynak. A reológia különleges betekintést nyújthat a micelláris növekedésbe, az összefonódásba, az elágazásba és a nyírás indukálta átmenetekbe.
Elmélet
A féregszerű micellák hasonlítanak a polimerekhez, hosszúak és rugalmasak, és látványos viszkozitásukat és viszkoelaszticitásukat a féregszerű micellák összefonódása okozza. Két kulcsfontosságú szerkezeti jellemző, amely reológiai válaszukat szabályozza, a kontúrhossz L (a végektől a végek közötti távolság mérőszáma) és a perzisztencia hossza lp (a micella rugalmasságának mérőszáma). A rendszer rugalmasságát a féregszerű micellák ξH hidrodinamikai korrelációs hossza befolyásolja.
A féregszerű micellában a feszültség RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációja a polimerekhez hasonlóan történhet reptációval (a feszültség RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációja a polimer kígyószerű mozgásával a szomszédai által alkotott csőben, amíg ki nem lép a csőből, amikor a feszültség teljesen ellazul), valamint töréssel és újraképződéssel.
A reptációs idő a φ térfogatfrakciótól függ, és a következőképpen adódik: τrep ~ L3φ3/4
A törési/alakulási idő a következő: τbreak ~ 1/L
Ha τbreak > τrep, akkor a micellák nagyon hasonlóan viselkednek, mint a törhetetlen polimerek, exponenciális polydiszperzitással, és a feszültségrelaxáció a következő formát ölti:
1. egyenlet
Ha τbreak < τrep, akkor a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs idő a következő: τ = (τbreakτrep)1/2. Ilyen feltételek mellett a folyadék Maxwell-folyadékként viselkedik, amely esetében
2. egyenlet
vagy
3. egyenlet
A zérus nyírási viszkozitás η0 a következő módon kapcsolható a Gp plató modulushoz
4. egyenlet
Hidrodinamikai korrelációs hossz (ξH)
A hidrodinamikai korrelációs hossz, ξH, a plató modulusból nyerhető ki:
5. egyenlet
AholkB a Boltzmann-állandó és T a hőmérséklet Kelvinben. A hidrodinamikai korrelációs hossz nanométerben van megadva.
Összefonódási hossz (le)
Ha a perzisztenciahossz becslése vagy kinyerése megtörtént (a nagyfrekvenciás reológiából a mikrorheológiával vagy a Small szögneutronszórással), akkor az összefonódási hossz kiszámítható a következők szerint
6. egyenlet
Kísérleti
- Ebben a kísérletben egy féregszerű micellaszerkezetű testmosószert vizsgáltak a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs idő és a hidrodinamikai korrelációs hossz meghatározása céljából.
- A rotációs reométeres méréseket Peltier-lemezkazettával és kúp- és lemezmérőrendszerrel1 ellátott Kinexus reométerrel végeztük, az rSpace szoftverben előre konfigurált standard szekvenciákat használva.
- Egy szabványos betöltési szekvenciát használtunk annak biztosítása érdekében, hogy a minta következetes és ellenőrizhető betöltési protokollnak legyen kitéve.
- Minden reológiai mérést 25°C-on végeztünk.
- A frekvenciasöpréses vizsgálatot 0,2 és 40 rad/s között végezték el, az Lineáris viszkoelasztikus régió (LVER)Az LVER-ben az alkalmazott feszültségek nem elegendőek ahhoz, hogy a szerkezet szerkezeti szétesését (engedékenységét) okozzák, ezért fontos mikroszerkezeti tulajdonságokat mérnek.LVER-en belüli alakváltozási értéket használva.
- A frekvenciasöprésből automatikus Cole-Cole-diagramot (G'' vs. G' diagram) készítettünk, hogy megállapítsuk, hogy a féregszerű micellára jellemző félkör alakú (Maxwell-válasz) alakot kaptunk-e vagy sem.
- A Gp és τ értékeket a frekvenciapásztázási adatokból vontuk ki, és az ξH-t az előbbiekből számoltuk ki.
Eredmények és vita
A testápoló termék G', G''' frekvenciaválasza a 2. a) ábrán látható, a megfelelő Cole-Cole-diagram pedig a 2. b) ábrán.
A 2(a) ábrán látható adatok hasonlóak az egyszeri RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs idejű Maxwell-modell esetében várható adatokhoz, a G' magas frekvenciákon (Gp) egy plató kialakulásával és a G'/G" átmenettel ωc = 1/τ-nál. A Cole-Cole-diagram félköríves alakja megerősíti a Maxwell-féle viselkedést. A legtöbb egyszerű testápoló vagy átlátszó sampon termék általában megfelel ennek a viselkedésnek, a féregszerű micellaszerkezet az anionos és a zwitterionos felületaktív anyagok kombinációjából származik só jelenlétében. Az összetettebb készítményekben más adalékanyagok, például illatanyagok és gyöngyházfényű anyagok jelenléte eltérést okozhat a tisztán összefonódott féregszerű micellarendszertől. Ha ez az eltérés adalékanyagok hiányában is fennáll, akkor az a tenzidrendszer mikroszerkezetének és strukturálódási hatékonyságának változására vezethető vissza. A teljesen összefonódott, féregszerű micellarendszer elérése alacsony tenzid- és sótartalom mellett nagyon kívánatos, mivel ez egy rendkívül hatékony strukturáló rendszert feltételez.
Táblázat: A mérési adatokból az elmélet segítségével kinyert szerkezeti paraméterek
A 2. táblázatban az elmélet segítségével kinyert megfelelő szerkezeti paraméterek láthatók erre a rendszerre.
Következtetések
A féregszerű micellák (WLM-ek) tulajdonságai kulcsfontosságú kutatási területet jelentenek mind a tudományos, mind az ipari életben, mivel számos termékben és alkalmazásban alkalmazzák őket, amelyek közül számos kritikusan függ a mögöttes mikroszerkezetüktől. A reológiai mérések és az elméleti megértés kombinálásával bebizonyosodott, hogy lehetséges a mikroszerkezeti kulcsparaméterek - köztük a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs idő és a hidrodinamikai korrelációs hossz - kinyerése, amelyek az anyagra és annak reológiai viselkedésére egyaránt jellemzőek és leíróak.
Felhívjuk a figyelmet, hogy párhuzamos lemezgeometria vagy hengeres geometria is használható. Ezen vizsgálatokhoz oldószercsapda használata is ajánlott, mivel az oldószer (pl. víz) elpárolgása a mérőrendszer szélei körül érvénytelenítheti a vizsgálatot, különösen magasabb hőmérsékleten történő munkavégzés esetén.