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 장기적인 시간 척도에서 이 미세 구조의 상태가 중요합니다.
시간에 따른 유변학적 특성의 변화를 평가하기 위한 여러 가지 테스트가 있습니다. 크리프 테스트는 가해진 응력에 대한 반응을 시간의 함수로 직접 살펴보기 때문에 이 작업에 이상적으로 적합합니다. 또 다른 유용한 테스트는 샘플을 여러 다른 주파수에서 연속적으로 진동시키는 진동 주파수 스윕입니다. 주파수는 시간의 역수이므로 높은 주파수는 짧은 시간 척도에 해당하고 낮은 주파수는 긴 시간 척도에 해당합니다. 진동 테스트에서 타임스케일은 주기 주파수가 아닌 각도 주파수(ω)에 해당한다는 점에 유의해야 합니다.
제한된 주파수 범위에서 탄성(또는 저장) 계수 G', 점성(또는 손실) 계수 G", 위상각 δ의 변화를 평가함으로써 재료가 항복 응력 또는 제로 전단 점도를 가질 가능성이 있는지, 그리고 잠재적인 안정성 문제가 있는지 여부를 판단할 수 있습니다. 다양한 재료에 대한 일반적인 주파수 응답의 예는 그림 1에 나와 있습니다. 낮은 주파수(예: 0.01Hz 미만)에서 G' 가 G" 를 초과하는 경우, 재료가 흐름이 시작되기 전에 분해되어야 하는 네트워크 구조를 가지고 있는 것으로 추론할 수 있으며, 즉 항복 응력이 있는 것으로 추정할 수 있습니다. 낮은 주파수에서 G"가 G'를 초과하면 거시적 흐름이 발생할 수 있음을 나타내며, 안정성은 분산 상에 의해 부과된 응력에 해당하는 제로 전단 점도 또는 점도에 의해 지배될 가능성이 높습니다.
긴 테스트 시간으로 인해 레오미터에서 이러한 매우 낮은 주파수에 접근하기 어렵기 때문에 곡선의 일반적인 형태를 평가하는 것이 유용합니다. 위상각 δ와 탄성 계수 G' 는 구조적 특성을 나타내는 일반적인 지표이므로 주파수가 감소함에 따라 변화의 크기와 방향은 더 긴 시간에서 재료 응답의 특성을 나타낼 수 있습니다.
- 점탄성 고체 또는 겔 구조에서와 같이 G' 가 주파수와 크게 독립적이고 위상각이 일정하게 유지되거나 주파수가 감소함에 따라 감소하는 경우, 재료가 네트워크 구조를 유지할 가능성이 높고 더 안정적일 것이라고 추론할 수 있습니다.
- 주파수가 감소함에 따라 위상각 δ가 증가하고 G' 가 감소하면 구조(네트워크)의 탄성 요소가 이완되어 액체처럼 되고 있음을 나타내며, 이는 안정성이 낮다고 추론할 수 있습니다.
이러한 관찰은 복합점도인 η*에도 반영되어야 하는데, 유체의 경우 낮은 주파수로 갈수록 전단점도가 0인 고원이 시작되는 반면, 네트워크 구조를 가진 고체의 경우 그림 2와 같이 η*의 값이 계속 증가하는 것이 관찰되어야 합니다.
이 기법을 실제로 사용하려면 적절한 조건에서 곡선의 형태를 평가하는 것이 중요합니다. 최소 0.01Hz의 주파수는 안정성 잠재력을 평가하기에 충분할 수 있지만, 이보다 낮은 주파수 크기로 가면 시간이 더 걸리더라도 저주파 추세를 더 정확하게 파악할 수 있습니다. 테스트 온도도 중요한데, 일반적으로 온도가 높아지면 구조 재배열 속도가 빨라져 구조적 이완이 더 짧은 시간에 발생하기 때문입니다. 따라서 더 높은 온도에서 테스트하면 실제 보관 조건을 더 잘 재현할 수 있고 잠재적으로 문제가 있는 샘플을 더 쉽게 찾아낼 수 있습니다. 그러나 장시간에 걸쳐 고온에서 작업할 때는 샘플 증발을 방지하는 것이 중요합니다.
이 애플리케이션 노트에서는 일련의 샤워 젤에 대한 진동 주파수 테스트의 방법론과 데이터, 그리고 제형에 분산된 기포를 현탁시키는 능력을 보여줍니다.
실험적
- 다양한 수준의 연관 농축 폴리머(0%에서 8%까지)를 함유한 일련의 샤워 젤을 실온에서 장시간 기포를 현탁시키는 능력을 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.
- 변형률 제어 진폭 스윕은 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 주파수 스윕 테스트에 사용할 적절한 변형률 값을 결정하기 위해 수행됩니다(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 변형률 값은 시퀀스의 다음 부분으로 전진 공급됩니다).
- 주파수 스윕은 기본값인 10Hz와 0.005Hz 사이에서 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 스트레인 값으로 수행됩니다.
결과 및 토론
그림 3은 테스트한 다양한 샤워 젤 제품에 대한 주파수 스윕 데이터를 보여줍니다. 연관 증점제의 농도가 증가하면 G'의 증가와 위상각의 감소로 강조된 것처럼 탄성도가 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 탄성은 적절한 농도에서 젤과 같은 구조를 형성할 수 있는 계면활성제 미셀의 교차 결합을 통해 발생합니다.
6%와 8%의 결합 폴리머가 포함된 샘플은 낮은 주파수에서 G' 값이 더 높아 가교 정도가 더 크다는 것을 나타내며, 위상각의 값과 방향은 이러한 물질이 이 주파수 범위에서 고체 또는 젤과 같은 거동을 보이고 있다는 것을 나타냅니다. 이는 낮은 주파수에서 항복 응력 또는 적어도 높은 제로 전단 점도의 가능성을 나타내므로 안정성에 유리합니다.
결합 폴리머의 값이 낮은 샘플의 경우, G"가 지배적이며 주파수가 감소함에 따라 위상각이 증가하여 이 주파수 범위에서 구조적 이완과 액체와 같은 거동을 나타내며 이는 안정성에 좋지 않은 영향을 미칩니다.
이는 복합 점도인 η*(그림 4 참조)에도 반영되는데, 폴리머 첨가제를 포함하지 않은 바디워시는 약 5 Pas의 값으로 제로 전단 점도 정점(즉, 액체와 같은 거동)을 보입니다. 반대로, 8%의 연관 폴리머가 포함된 샘플은 0.01Hz에서 1000 Pas에 가까운 점도로 동일한 범위에서 파워 법칙 거동을 나타냅니다. 후자가 더 낮은 주파수에서 정체 현상을 보이는지 여부는 더 낮은 주파수로 테스트(또는 크리프 테스트)해야만 평가할 수 있지만, 그럼에도 불구하고 이러한 낮은 주파수에서의 점도는 분산상의 침전 속도를 늦추기에 충분할 정도로 높아야 합니다.
결론
적절한 측정 조건에서 선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER 내에서 주파수 스윕 테스트를 수행하여 분산 안정성을 예측할 수 있습니다. 이는 다양한 농도의 점증제를 함유한 5가지 샤워 젤 제품에 대해 입증되었습니다. 고농도의 폴리머를 함유한 샘플은 더 높은 G' 값과 낮은 위상각으로 젤과 같은 거동을 보이며 낮은 주파수로 갈수록 증가하지 않습니다. 이러한 샘플은 거품을 장시간 부유시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.
참고하세요 ...
평행 판 형상이나 원통형 형상도 사용할 수 있습니다. 재료가 벽면 슬립 효과를 나타낼 가능성이 있는 경우 샌드 블라스트 지오메트리를 고려해야 합니다. 더 큰 지오메트리는 더 낮은 주파수에서 발생할 가능성이 높은 낮은 토크에서 측정하는 데 유용합니다. 특히 고온에서 작업할 때 측정 시스템 가장자리 주변의 용매(예: 물)가 증발하면 테스트가 무효화될 수 있으므로 이러한 테스트에는 솔벤트 트랩을 사용하는 것이 좋습니다.