Introduzione
Il fatto che la stabilità a lungo termine di un'emulsione o di una sospensione sia governata da una viscosità a taglio zero o da una Sforzo di snervamentoLa tensione di snervamento è definita come la tensione al di sotto della quale non si verifica alcun flusso; letteralmente si comporta come un solido debole a riposo e come un liquido quando viene ceduto.tensione di snervamento dipende dalla sua microstruttura. Inoltre, è importante lo stato di questa microstruttura su lunghe scale temporali, poiché in ultima analisi è ciò che ogni fase dispersa incontrerà durante lo stoccaggio prolungato. Un modo per determinare l'esistenza e l'eventuale entità di questa viscosità a basso taglio (zero shear) è il test di scorrimento. Questa prova consiste nell'applicare una sollecitazione costante per un periodo di tempo prolungato e nel monitorare la deformazione o la cedevolezza risultante (deformazione/sollecitazione) in funzione del tempo.
Come mostrato nella Figura 1, un materiale puramente viscoso mostrerà un aumento costante della cedevolezza con il tempo, indicativo di un flusso, cioè di una risposta viscosa allo stato stazionario. Al contrario, un solido mostrerà un gradiente nullo che indica una risposta elastica.
Per i materiali viscoelastici, la risposta sarà una combinazione di effetti viscosi ed elastici, come mostrato nella Figura 2, con la risposta a tempi lunghi che indica se il materiale presenta una Sforzo di snervamentoLa tensione di snervamento è definita come la tensione al di sotto della quale non si verifica alcun flusso; letteralmente si comporta come un solido debole a riposo e come un liquido quando viene ceduto.tensione di snervamento (elastico) o una risposta viscosa allo stato stazionario (viscoso). Se il materiale mostra una risposta viscosa allo stato stazionario, la viscosità a taglio zero è semplicemente data dall'inverso del gradiente del grafico della cedevolezza rispetto al tempo.
Se la dimensione media delle particelle, la densità e la frazione di volume della fase dispersa sono note e la viscosità a taglio zero della fase continua è determinata, la velocità (V) della fase dispersa può essere stimata utilizzando la seguente modifica dell'equazione di Stokes:
a = raggio della particella (sfera)
Δρ = differenza di densità tra particella e liquido
η = viscosità del liquido (viscosità di taglio nulla)
g = accelerazione dovuta alla gravità
φ = volume di fase
Il valore dell'esponente è generalmente 4,75 per un raggio >1 μm e 5,25 per un raggio <1 μm.
Potenzialmente, la dispersione può essere riformulata per ottenere una viscosità a basso taglio sufficiente a sospendere la fase dispersa per il periodo richiesto o, in alternativa, per introdurre una Sforzo di snervamentoLa tensione di snervamento è definita come la tensione al di sotto della quale non si verifica alcun flusso; letteralmente si comporta come un solido debole a riposo e come un liquido quando viene ceduto.tensione di snervamento che dia una risposta simile a quella di un solido per tempi lunghi.
Quando si esegue una prova di creep è importante che sia concesso un tempo sufficiente per raggiungere lo stato stazionario. In caso contrario, è possibile che venga riportato un valore troppo basso della viscosità di taglio zero o che si assuma erroneamente che il materiale abbia una viscosità di taglio zero quando in realtà ha una Sforzo di snervamentoLa tensione di snervamento è definita come la tensione al di sotto della quale non si verifica alcun flusso; letteralmente si comporta come un solido debole a riposo e come un liquido quando viene ceduto.tensione di snervamento. Poiché le dispersioni possono rimanere su uno scaffale indisturbate per settimane o addirittura mesi, è necessario tenerne conto in qualsiasi protocollo di prova.
Questa nota applicativa illustra la metodologia e i dati dei test di scorrimento di due prodotti commerciali per gel doccia.
Sperimentale
- Sono stati valutati due prodotti commerciali per gel doccia, uno contenente solo tensioattivi e l'altro contenente tensioattivi e un addensante associativo.
- Le misure al reometro rotazionale sono state effettuate utilizzando un reometro Kinexus con una cartuccia a piastra di Peltier e un sistema di misurazione a cono e a piastra1, e utilizzando sequenze standard preconfigurate nel software rSpace.
- È stata utilizzata una sequenza di caricamento standard per garantire che i campioni fossero sottoposti a un protocollo di caricamento coerente e controllabile.
- Tutte le misure reologiche sono state eseguite a 25°C, salvo indicazioni specifiche.
- Viene eseguito uno sweep di ampiezza controllato dallo Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress per misurare la lunghezza della Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.regione viscoelastica lineare (LVER) e per determinare un valore di Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress appropriato da utilizzare nella successiva prova di creep (la determinazione della Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER è automatizzata all'interno del software rSpace e il valore di Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress determinato viene inserito nella parte successiva della sequenza).
- Viene eseguito un test di creep al valore di sollecitazione predeterminato all'interno della Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER, con il raggiungimento dello stato stazionario impostato come condizione finale (entro le condizioni di tolleranza definite).
- L'analisi dei dati viene eseguita utilizzando l'azione ´Viscosità di taglio zero dai dati di creep`
- Un calcolatore della legge di Stokes nel software stima quindi la velocità di sedimentazione delle particelle, in base alla viscosità misurata e alle variabili inserite dall'utente per le caratteristiche delle particelle.
Risultati e discussione
La Figura 3 mostra la risposta allo scorrimento dei due gel doccia su scala logaritmica. È evidente che i due prodotti mostrano una risposta elastica iniziale simile, tuttavia vi sono differenze nella risposta elastica ritardata, come indicato dai tempi necessari per raggiungere lo stato stazionario. L'intervallo di tolleranza dello stato stazionario utilizzato in questo test era compreso tra ± 1% per 60 secondi. È evidente che il campione A mostra un comportamento allo stato stazionario quasi immediatamente, mentre il campione B presenta un'elasticità residua.
La Figura 4 mostra lo stesso grafico, ma utilizzando una scala lineare. In questo modo è più facile distinguere le differenze nel gradiente della cedevolezza rispetto al tempo plots. Poiché η0 è dato dall'inverso del gradiente della porzione di curva allo stato stazionario, è chiaro che il campione B avrà una viscosità a taglio zero più elevata rispetto al campione A. Questi valori sono stati calcolati automaticamente durante il test e sono risultati pari a 6 Pas e 12 Pas per i campioni A e B, rispettivamente. Secondo l'Equazione 1, ciò significa che il campione B ridurrebbe la velocità di sedimentazione di un fattore 2 per sospensioni di particelle e frazioni di volume equivalenti. Se questi valori di viscosità sono sufficienti a garantire un'effettiva stabilità dipenderà dalle dimensioni specifiche, dalla densità e dal volume della fase dispersa, che devono essere determinati con tecniche indipendenti.
Conclusioni
Il test di scorrimento è un mezzo efficace per determinare la viscosità a taglio zero di un materiale e può essere utilizzato per valutare la stabilità delle sospensioni.
In questo test è stato dimostrato che una quantità small di un addensante associativo può raddoppiare la viscosità a taglio zero di un gel doccia a base di tensioattivi e ridurre la velocità di sedimentazione di un fattore due (per sospensioni di particelle e frazioni di volume equivalenti).
1Sinoti che è possibile utilizzare anche una geometria a piatti paralleli o una geometria cilindrica. Per questi test si raccomanda anche l'uso di una trappola per solventi, poiché l'evaporazione del solvente (ad esempio, l'acqua) intorno ai bordi del sistema di misurazione può invalidare il test, in particolare quando si lavora a temperature più elevate.