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.
Esistono diversi test per valutare le variazioni delle proprietà reologiche in funzione del tempo. Un test di creep è ideale per questo compito, poiché esamina la risposta a una sollecitazione applicata direttamente in funzione del tempo. Un altro test utile è lo sweep di frequenza di oscillazione, in cui il campione viene fatto oscillare consecutivamente a diverse frequenze. Poiché la frequenza è l'inverso del tempo, le alte frequenze corrispondono a tempi brevi e le basse frequenze a tempi lunghi. Va notato che la scala dei tempi corrisponde alla frequenza angolare (ω) e non alla frequenza del ciclo nelle prove di oscillazione.
Valutando le variazioni del Modulo elasticoIl modulo complesso (componente elastica), modulo di conservazione o G', è la parte "reale" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente elastica indica la risposta del campione in fase di misurazione. modulo elastico (o di accumulo), G'; del Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo viscoso (o di perdita), G"; e dell'angolo di fase, δ, su un intervallo di frequenze limitato, è possibile determinare se un materiale può avere 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 o una viscosità di taglio pari a zero e anche potenziali problemi di stabilità. Nella Figura 1 sono riportati esempi di risposte in frequenza comuni per vari materiali. Se G' supera G" a basse frequenze, ad esempio <0,01Hz, si può dedurre che il materiale possiede una struttura reticolare che deve essere spezzata prima che il flusso possa iniziare, ovvero che 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. Se G" supera G' a basse frequenze, ciò indica che può verificarsi un flusso macroscopico e la stabilità è probabilmente governata dalla viscosità di taglio zero o dalla viscosità corrispondente alla sollecitazione imposta dalla fase dispersa.
Poiché è difficile accedere a queste frequenze molto basse su un reometro a causa dei lunghi tempi di prova, è utile valutare la forma generale delle curve. Poiché l'angolo di fase, δ, e il Modulo elasticoIl modulo complesso (componente elastica), modulo di conservazione o G', è la parte "reale" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente elastica indica la risposta del campione in fase di misurazione. modulo elastico, G', sono indicatori generali delle caratteristiche strutturali, l'entità e la direzione della variazione al diminuire della frequenza possono indicare la natura della risposta del materiale a tempi più lunghi.
- Se G' è largeindipendente dalla frequenza e l'angolo di fase rimane costante o diminuisce con la riduzione della frequenza, come nel caso di una struttura viscoelastica solida o gel, allora possiamo dedurre che il materiale ha maggiori probabilità di mantenere la struttura a rete e sarà più stabile.
- Se l'angolo di fase, δ, aumenta e G' diminuisce con il diminuire della frequenza, allora questo indica che gli elementi elastici della struttura (la rete) si stanno rilassando e sta diventando simile a un liquido, il che potrebbe far pensare a una minore stabilità.
Queste osservazioni dovrebbero riflettersi anche nella viscosità complessa, η*, che per i fluidi mostrerà l'insorgere di un plateau di viscosità di taglio pari a zero verso le frequenze più basse, mentre per i solidi che possiedono una struttura a rete si dovrebbe osservare un valore sempre crescente di η*, come mostrato nella Figura 2.
Per l'uso pratico di questa tecnica, è importante valutare la forma delle curve in condizioni appropriate. Una frequenza minima di 0,01 Hz può essere sufficiente per valutare il potenziale di stabilità, ma una frequenza inferiore, sebbene richieda più tempo, fornirà un quadro più accurato delle tendenze a bassa frequenza. Anche la temperatura di prova è importante, poiché il RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento strutturale si verifica generalmente su tempi più brevi con l'aumentare della temperatura, a causa di un tasso più rapido di riarrangiamento strutturale. Pertanto, i test a temperature più elevate possono replicare meglio le reali condizioni di conservazione e potenzialmente rendere più facile l'individuazione dei campioni problematici. Tuttavia, quando si lavora a temperature più elevate per lunghi periodi di tempo, è importante evitare l'evaporazione del campione.
Questa nota applicativa illustra la metodologia e i dati dei test sulla frequenza di oscillazione di una serie di gel doccia e la loro capacità di sospendere le bolle disperse nelle formulazioni.
Sperimentale
- Una serie di gel doccia contenenti vari livelli di un polimero addensante associativo (dallo 0% all'8%) sono stati valutati per la loro capacità di sospendere le bolle a temperatura ambiente per periodi prolungati.
- 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 misurazioni reologiche sono state eseguite a 25°C, salvo indicazioni specifiche.
- Viene eseguito uno sweep di ampiezza controllato dalla deformazione 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 deformazione appropriato da usare nella successiva prova di sweep di frequenza (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 deformazione determinato viene inserito nella parte successiva della sequenza).
- Viene eseguita una scansione in frequenza al valore di deformazione predeterminato all'interno dell'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, tra i valori predefiniti di 10 Hz e 0,005 Hz.
Risultati e discussione
La Figura 3 mostra i dati di frequency sweep per la gamma di gel doccia testati. È evidente che l'aumento della concentrazione dell'addensante associativo aumenta il grado di elasticità, come evidenziato dall'aumento di G' e dalla diminuzione dell'angolo di fase. Questa elasticità deriva dalla reticolazione delle micelle di tensioattivi, che possono formare una struttura simile a un gel alle giuste concentrazioni.
I campioni con il 6% e l'8% di polimero associativo presentano valori più elevati di G' alle basse frequenze, indicando una maggiore reticolazione, mentre il valore e la direzione dell'angolo di fase indicano che questi materiali mostrano un comportamento solido o simile al gel in questa gamma di frequenze. Ciò è favorevole alla stabilità, poiché indica la probabilità di uno snervamento o almeno di un'elevata viscosità a taglio zero alle basse frequenze.
Per i campioni con valori più bassi di polimero associativo, G" è dominante e l'angolo di fase aumenta al diminuire della frequenza, indicando così un RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento strutturale e quindi un comportamento simile a quello di un liquido in questo intervallo di frequenze, che non è favorevole alla stabilità.
Ciò si riflette anche nella viscosità complessa, η* (vedi Figura 4), con il body wash che non contiene additivi polimerici che mostra un plateau di viscosità a taglio zero (cioè un comportamento simile a quello liquido) con un valore di circa 5 Pas. Al contrario, il campione con l'8% di polimero associativo mostra un comportamento a legge di potenza nello stesso intervallo, con una viscosità prossima a 1000 Pas a 0,01 Hz. Se quest'ultimo mostri o meno un plateau a frequenze più basse può essere valutato solo con test a frequenze più basse (o in alternativa con test di creep), ma comunque la viscosità a queste frequenze più basse dovrebbe essere sufficientemente alta da rallentare la sedimentazione di una fase dispersa.
Conclusione
È possibile prevedere la stabilità della dispersione eseguendo un test di sweep di frequenza all'interno dell'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 nelle condizioni di misura appropriate. Ciò è stato dimostrato per cinque gel doccia contenenti varie concentrazioni di un agente addensante associativo. I campioni con alti livelli di polimero mostrano un comportamento simile al gel, con valori più elevati di G' e un basso angolo di fase che non aumenta verso le frequenze più basse. Questi campioni hanno dimostrato di essere in grado di sospendere le bolle per periodi di tempo prolungati.
Si prega di notare ...
è possibile utilizzare anche una geometria a piastre parallele o una geometria cilindrica. Una geometria sabbiata dovrebbe essere presa in considerazione se il materiale può presentare effetti di slittamento della parete. Larger geometrie sono utili per le misurazioni a basse coppie, che si verificano più facilmente alle basse frequenze. Per queste prove 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 misura può invalidare la prova, soprattutto quando si lavora a temperature elevate.