소개
에멀젼 또는 현탁액의 장기 안정성이 제로 전단 점도 또는 항복 응력에 의해 좌우되는지 여부는 미세 구조에 따라 달라집니다. 또한, 장기 보관 시 분산상이 궁극적으로 직면하게 되는 것이 바로 이 미세 구조의 상태이기 때문에 장시간에 걸친 미세 구조의 상태가 중요합니다. 이러한 저전단(제로 전단) 점도의 존재 여부와 그 크기를 확인하는 한 가지 방법은 크리프 테스트를 통해 확인할 수 있습니다. 이 테스트는 장기간에 걸쳐 일정한 응력을 가하고 그 결과 변형률 또는 순응도(변형률/응력)를 시간의 함수로 모니터링하는 것을 포함합니다.
그림 1에서 볼 수 있듯이 순수한 점성 물질은 시간에 따른 순응도, 즉 정상 상태 점성 응답이 일정하게 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 이와 대조적으로 고체는 탄성 반응을 나타내는 0 그라데이션을 나타냅니다.
점탄성 재료의 경우 응답은 그림 2와 같이 점성과 탄성 효과의 조합이 되며, 장시간의 응답은 항복 응력(탄성)이 있는지 또는 정상 상태 점성 응답(점성)이 있는지를 나타냅니다. 재료가 정상 상태 점성 반응을 보이는 경우 제로 전단 점도는 순응도 대 시간 플롯의 역 기울기로 간단히 구할 수 있습니다.
분산상의 평균 입자 크기, 밀도 및 부피 분율을 알고 있고 연속상의 제로 전단 점도가 결정되면 다음과 같은 스토크스 방정식의 수정을 사용하여 분산상의 속도(V)를 추정할 수 있습니다:
a = 입자 반경(구)
Δρ = 입자와 액체의 밀도 차이
η = 액체의 점도(제로 전단 점도)
g = 중력에 의한 가속도
φ = 상 체적
지수의 값은 일반적으로 반경이 1μm 이상인 경우 4.75, 반경이 1μm 미만인 경우 5.25입니다.
그런 다음 분산액을 다시 배합하여 필요한 기간 동안 분산상을 정지시키기에 충분한 낮은 전단 점도를 얻거나, 또는 장시간에 걸쳐 고체와 같은 반응을 보이는 항복 응력을 도입할 수 있습니다.
크리프 테스트를 실행할 때는 정상 상태에 도달할 수 있는 충분한 시간을 확보하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 제로 전단 점도의 값이 너무 낮게 보고되거나 실제로 항복 응력이 있을 때 재료가 제로 전단 점도를 갖는다고 잘못 가정할 수 있습니다. 분산액은 한 번에 몇 주 또는 몇 달 동안 방해받지 않고 선반에 놓여 있을 수 있으므로 모든 테스트 프로토콜에서 이 점을 고려해야 합니다.
이 애플리케이션 노트에서는 두 가지 상업용 샤워 젤 제품에 대한 크리프 테스트 방법론과 데이터를 보여줍니다.
실험적
- 계면활성제만 함유된 제품과 계면활성제와 점증제를 함께 함유한 두 가지 상업용 샤워 젤 제품을 평가했습니다.
- 회전 레오미터 측정은 펠티에 플레이트 카트리지와 콘 및 플레이트 측정 시스템1이 장착된 키넥서스 레오미터를 사용하고 rSpace 소프트웨어에서 사전 구성된 표준 시퀀스를 활용하여 수행했습니다.
- 시료가 일관되고 제어 가능한 로딩 프로토콜을 따르도록 하기 위해 표준 로딩 시퀀스를 사용했습니다.
- 모든 유변학 측정은 특별히 명시되지 않는 한 25°C에서 수행되었습니다.
- 응력 제어 진폭 스윕을 수행하여 선형 점탄성 영역(선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER)의 길이를 측정하고 후속 크리프 테스트에 사용할 적절한 응력 값을 결정합니다(선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER 결정은 rSpace 소프트웨어 내에서 자동화되며 결정된 응력 값은 시퀀스의 다음 부분으로 전달됩니다).
- 크리프 테스트는 선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER 내에서 미리 결정된 스트레스 값에서 수행되며, 정상 상태 달성을 최종 조건으로 설정합니다(정의된 허용 오차 조건 내).
- 데이터 분석은 '크리프 데이터에서 전단 점도 제로' 작업을 사용하여 수행됩니다
- 그런 다음 소프트웨어의 스토크스 법칙 계산기가 측정된 점도와 입자 특성에 대해 사용자가 입력한 변수를 기반으로 입자의 침전 속도를 추정합니다.
결과 및 토론
그림 3은 두 샤워 젤 제품의 크리프 반응을 로그 스케일로 보여줍니다. 두 제품은 초기 탄성 반응은 비슷하지만 정상 상태에 도달하는 데 필요한 시간 척도로 알 수 있듯이 지연된 탄성 반응에는 차이가 있습니다. 이 테스트에 사용된 정상 상태 허용 오차 범위는 60초 동안 ± 1% 이내였습니다. 분명히 샘플 A는 거의 즉시 정상 상태 동작을 보이는 반면, 샘플 B는 약간의 잔류 탄성이 있습니다.
그림 4는 동일한 플롯이지만 선형 눈금을 사용합니다. 이렇게 하면 컴플라이언스 그래프와 시간 플롯의 기울기 차이를 더 쉽게 구분할 수 있습니다. Η0은 곡선의 정상 상태 부분의 역 기울기로 주어지므로 샘플 B가 샘플 A보다 제로 전단 점도가 높다는 것이 분명합니다. 이 값은 테스트의 일부로 자동 계산되었으며 샘플 A와 B의 경우 각각 6파스 및 12파스로 밝혀졌습니다. 방정식 1에 따르면 이는 시료 B가 동일한 입자 및 부피 분율의 현탁액에 대해 침전 속도를 2배 감소시킨다는 것을 의미합니다. 이러한 점도 값이 효과적인 안정성을 제공하기에 충분한지 여부는 분산 단계의 특정 크기, 밀도 및 부피에 따라 달라지며, 이는 독립적인 기술을 사용하여 결정해야 합니다.
결론
크리프 테스트는 재료의 제로 전단 점도를 측정하는 효과적인 수단으로, 현탁 안정성을 평가하는 데 사용할 수 있습니다.
이 테스트에서 계면활성제 기반 샤워 젤의 영점 전단 점도를 두 배로 높이고 침전 속도를 두 배로 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다(동일한 입자 및 부피 분율의 현탁액의 경우) small.
1평행플레이트 지오메트리 또는 원통형 지오메트리도 사용할 수 있습니다. 특히 고온에서 작업할 경우 측정 시스템 가장자리에서 용매(예: 물)가 증발하면 테스트가 무효화될 수 있으므로 이러한 테스트에는 용매 트랩을 사용하는 것이 좋습니다.