Karakterisasi Struktur Mikro ´Misel Mirip Cacing´ Menggunakan Rheologi

Pendahuluan

Sifat-sifat misel seperti cacing (WLM) merupakan area penelitian utama di bidang akademis dan industri. Hal ini terutama disebabkan oleh fakta bahwa mereka memiliki aplikasi yang luas di berbagai industri mulai dari perawatan pribadi hingga pemulihan minyak. Mereka menawarkan cara yang sederhana dan hemat biaya untuk menghasilkan viskositas dan viskoelastisitas yang luar biasa. Mereka dapat dibuat menjadi struktur 'pintar' atau responsif terhadap rangsangan yang dapat mengalami transisi ke fase lain dengan reologi yang sangat berbeda. Respons seperti itu sangat menarik untuk aplikasi biomedis dan pengiriman obat dan juga untuk pemisahan menggunakan perangkat mikrofluida.

Misel seperti cacing dapat dibentuk dari berbagai sistem surfaktan yang berbeda (anionik, kationik, dan zwitterionik) dan juga dari berbagai kopolimer blok. Faktor utama yang menarik adalah bahwa meskipun mereka dapat dibentuk dari berbagai macam spesies kimia, respons reologi mereka sangat mirip dan mereka memiliki tanda tangan reologi yang berbeda. Perkembangan teoretis, yang sekarang sudah mapan dan diterima secara luas, memungkinkan tidak hanya deteksi struktur (seperti yang terungkap melalui tanda tangan reologi yang berbeda), tetapi juga memungkinkan ekstraksi parameter struktural yang penting.

Hal ini memungkinkan para peneliti untuk mendapatkan wawasan tentang bagaimana berbagai kondisi formulasi seperti tingkat elektrolit, pH atau komposisi surfaktan berdampak pada struktur mikro misel mirip cacing yang terbentuk. Misel mirip cacing dalam sebagian besar kasus terbentuk dari surfaktan, yang merupakan molekul amfifilik. Tergantung pada parameter pengemasan surfaktan, surfaktan dapat berkumpul menjadi berbagai macam struktur mikro (lihat Tabel 1).

Tabel 1: Dampak parameter pengemasan pada struktur mikro permukaan yang terbentuk

Ketika parameter pengemasan antara 1/2 dan 1/3, maka molekul surfaktan dapat tersusun menjadi susunan misel seperti batang. Berdasarkan termodinamikanya, misel seperti batang ini dapat terus tumbuh dengan meningkatnya konsentrasi atau dengan penambahan elektrolit atau ko-surfaktan menjadi misel seperti cacing dan kemudian menjadi kristal cair nematik (Gambar 1).

Masing-masing fase berbeda yang diilustrasikan dalam Gambar 1 menunjukkan karakteristik reologi yang berbeda. Ciri reologi yang paling menonjol dan jelas adalah misel seperti cacing yang setengah encer dan pekat. Transisi dari fase encer ke semi encer dan dari fase pekat ke fase nematik juga dapat diikuti melalui reologi.

Karena mereka adalah struktur bangunan reologi utama dalam berbagai aplikasi yang berbeda, memahami tanda tangan reologi mereka dan perubahan struktur mereka dan reologi yang sesuai pada penambahan / perubahan formulasi adalah wawasan utama yang diinginkan oleh para ilmuwan akademis dan industri. Reologi dapat memberikan wawasan khusus tentang pertumbuhan misel, keterikatan, percabangan, dan transisi yang diinduksi oleh geser.

Teori

Misel mirip cacing mirip dengan polimer, panjang dan fleksibel, serta viskositas dan viskoelastisitasnya yang spektakuler didorong oleh belitan misel mirip cacing. Dua fitur struktural utama, yang mengontrol respons reologi mereka adalah panjang kontur L (ukuran jarak ujung ke ujung) dan panjang persistensi lp (ukuran fleksibilitas misel). Elastisitas sistem dipengaruhi oleh panjang korelasi hidrodinamika ξH dari misel yang menyerupai cacing.

RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. Relaksasi tegangan pada misel mirip cacing, mirip dengan polimer, dapat terjadi dengan reptasi, (RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi tegangan melalui gerakan seperti ular dari polimer melalui tabung yang dibentuk oleh tetangganya, hingga keluar dari tabung, di mana tegangan benar-benar rileks) dan juga dengan mematahkan dan membentuk kembali.

Waktu repetisi bergantung pada fraksi volume φ dan diberikan oleh: τrep ~ ^L3φ3/4

Waktu pemutusan/pembentukan diberikan oleh: _τbreak ~ 1/L

Ketika _τbreak > _τrep, misel berperilaku sangat mirip dengan polimer yang tidak dapat dipecahkan, dengan polidispersitas eksponensial dan RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi tegangan berbentuk:

Eksperimental

• Dalam percobaan ini, sebuah pembersih tubuh berstruktur misel seperti cacing dievaluasi untuk menentukan waktu RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi dan panjang korelasi hidrodinamiknya.
• Pengukuran rheometer rotasi dilakukan dengan menggunakan rheometer Kinexus dengan kartrid pelat Peltier dan ^sistem pengukuran kerucut dan pelat1, dengan menggunakan urutan standar yang telah dikonfigurasi sebelumnya dalam perangkat lunak rSpace.
• Urutan pemuatan standar digunakan untuk memastikan bahwa sampel tunduk pada protokol pemuatan yang konsisten dan terkendali.
• Semua pengukuran reologi dilakukan pada suhu 25°C.
• Uji sapuan frekuensi dilakukan antara 0,2 dan 40 rad/s dengan menggunakan nilai SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan di dalam Wilayah Viskoelastik Linier (LVER)Pada LVER, tegangan yang diberikan tidak cukup untuk menyebabkan kerusakan struktural (yielding) pada struktur dan oleh karena itu, sifat-sifat mikro-struktural yang penting diukur.LVER.
• Plot Cole-Cole (plot G'' vs G') dihasilkan secara otomatis dari sapuan frekuensi untuk menentukan apakah karakteristik bentuk setengah lingkaran (respons Maxwell) dari misel seperti cacing diperoleh atau tidak.
• Nilai untuk Gp dan τ diekstraksi dari data sapuan frekuensi dan ξH dihitung dari data sebelumnya.

Hasil dan Pembahasan

Respons frekuensi G', G'' untuk produk sabun mandi ditunjukkan pada Gambar 2(a) dan plot Cole-Cole yang sesuai ditunjukkan pada Gambar 2(b).

Data yang ditunjukkan pada Gambar 2(a) serupa dengan yang diharapkan untuk model Maxwell waktu RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi tunggal dengan permulaan dataran tinggi pada G' pada frekuensi tinggi (_Gp) dan cross-over pada G' / G" pada _ωc = 1/τ. Bentuk setengah lingkaran dari plot Cole-Cole menegaskan perilaku Maxwell. Sebagian besar produk sabun mandi atau sampo transparan yang sederhana umumnya sesuai dengan perilaku ini, struktur misel seperti cacing yang dihasilkan dari kombinasi surfaktan anionik dan zwitterionik dengan adanya garam. Dalam formulasi yang lebih kompleks, keberadaan bahan tambahan lain seperti parfum dan zat pearlescent dapat menyebabkan penyimpangan dari sistem misel seperti cacing yang murni terjerat. Jika penyimpangan ini terus berlanjut tanpa adanya bahan tambahan apa pun, maka hal ini dapat dikaitkan dengan perubahan struktur mikro dan efisiensi penataan sistem surfaktan. Kemampuan untuk mencapai sistem misel seperti cacing yang terjerat sepenuhnya pada surfaktan rendah dan kadar garam rendah sangat diinginkan karena menyiratkan sistem penataan yang sangat efisien.

Tabel 2: Parameter struktural yang diekstrak dari data pengukuran menggunakan teori

Parameter struktural yang sesuai yang diekstraksi menggunakan teori ditunjukkan untuk sistem ini pada Tabel 2.

Kesimpulan

Sifat-sifat misel seperti cacing (WLM) merupakan area penelitian utama dalam bidang akademis dan industri, karena mereka digunakan dalam berbagai macam produk dan aplikasi, yang banyak di antaranya sangat bergantung pada struktur mikro yang mendasarinya. Dengan menggabungkan pengukuran reologi dengan pemahaman teoritis, telah ditunjukkan bahwa dimungkinkan untuk mengekstrak parameter mikrostruktural utama termasuk waktu RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi dan panjang korelasi hidrodinamika yang merupakan karakteristik dan deskriptif dari material dan perilaku reologi.

Harap diperhatikan bahwa geometri pelat paralel atau geometri silinder juga dapat digunakan. Penggunaan perangkap pelarut juga direkomendasikan untuk pengujian ini karena PenguapanPenguapan suatu unsur atau senyawa adalah transisi fase dari fase cair ke uap. Ada dua jenis penguapan: penguapan dan pendidihan.penguapan pelarut (mis., air) di sekitar tepi sistem pengukuran dapat membatalkan pengujian, terutama ketika bekerja pada suhu yang lebih tinggi.