소개
투명부터 검은색까지 무지개 빛깔을 포함한 네일 젤(경화형)과 매니큐어(공기 건조형) 시장에는 다양한 제품이 있습니다. 첫 번째 선택 기준은 종종 미적인 부분이지만, 소비자들은 원하는 마무리와 성능을 제공하는 실용적인 제품을 원합니다. 이를 위해 완벽한 네일 젤이나 폴리쉬는 브러시로 바르기 쉽도록 비교적 액체 같은 느낌이면서도 손톱 밖으로 흐르지 않아야 합니다. 건조 또는 경화 시간은 가능한 한 짧고 표면이 매끄러워야 완벽한 외관을 연출할 수 있습니다. 마지막으로, 매니큐어는 제거하기 너무 어렵지 않고 오래 지속되는 것이 바람직합니다.
일부 유형의 네일 젤은 경화를 위해 UV 램프가 필요합니다. 이러한 제품에는 젤이 램프에서 방출되는 적절한 파장에 닿는 즉시 경화 반응을 시작하는 광개시제가 포함되어 있습니다.
네일 젤이 올바른 방식으로 경화되려면 램프의 노출 시간, 파장 및 강도가 매우 중요합니다.
실험적
세 가지 네일 젤의 UV 경화에는 두 가지 방법이 사용되었습니다:
- 시차 주사 열량 측정(DSC): 경화 속도와 시간에 대한 정보를 얻는 데 사용됩니다.
- 회전 레오메트리: 자외선 노출 중 네일 젤의 모듈러스 변화를 특성화하기 위해 사용했습니다.
샘플 색상은 빨간색, 검은색, 투명이었습니다. 투명 샘플에는 부유 글리터가 포함되어 있었습니다.
표 1에는 세 가지 샘플을 테스트한 조건이 요약되어 있습니다.
표 1: 측정 조건
| DSC | 장치 | DSC 300 Caliris®, H-모듈 포함 |
|---|---|---|
| 시료 질량 | 3.0 mg | |
| 도가니 | Concavus®®(알루미늄, 개방형) | |
| 온도 | 30°C(등온) | |
| 분위기 | 질소(20ml/min) | |
| 램프 | Omnicures 2000(파장 범위: 320~500nm) | |
| 노출 시간 | 180 s | |
| 회전 레오메트리 | 장치 | 키넥서스 |
| 지오메트리 | PP8(플레이트/플레이트, 직경: 8mm) | |
| Gap | 250 μm | |
| 온도 | 25°C | |
| 대기 | 주변(공기) | |
| 램프 | Omnicures 2000(파장 범위: 320~500nm) | |
| 노출 시간 | 30 s |
DSC - 기능적 원리
ISO 11357에 기반한 열유속 DSC는 시료 도가니로 유입되는 열 유속과 기준 도가니로 유입되는 열 유속의 차이를 온도 및/또는 시간의 함수로 결정하는 기술입니다. 이러한 측정 중에 샘플과 기준은 동일한 제어 온도/시간 프로그램과 대기에 노출됩니다.
회전 레오메트리(진동 측정) - 기능적 원리
상판은 정의된 주파수 f[Hz](또는 ω[rad/s]) 및 진폭[%](또는 전단 변형률 γ[%]), γ = γo + sin(ωt)으로 진동합니다.
이 진동에 필요한 전단 응력 σ[Pa]는 σ = σ0 + sin(ωt+δ)로 결정됩니다.
결과: 시료의 점탄성 특성, 특히 복소 강성 G*(|G*| [Pa])가 결정됩니다.
G*의 "동상" 부분은 점탄성 재료의 탄성 특성(→ G', 저장 전단 계수)과 관련이 있고, "외상" 부분은 점탄성 재료의 점성 특성(→ G'', 손실 전단 계수)과 관련이 있습니다.
열 분석 및 경화 속도
경화 효과는 발열 효과의 형태로 DSC 곡선에서 관찰할 수 있습니다. 경화 반응은 UV 램프(photo-DSC)가 장착된 DSC를 사용할 때 열 또는 자외선에 의해 시작될 수 있습니다.
그림 1은 세 가지 네일 젤의 UV 노출 중에 얻은 사진-DSC 곡선을 보여줍니다. 피크 영역은 경화 엔탈피를 나타냅니다. 값이 높을수록 반응 중에 더 많은 에너지가 방출됩니다.
글리터가 포함된 투명한 시료의 경화 피크가 가장 높은 반응 엔탈피(211 J/g)를 나타냅니다. 그렇다고 해서 반응을 완료하는 데 다른 두 시료보다 더 많은 시간이 필요하다는 의미는 아닙니다. 실제로 최대 피크에 도달하기 전 곡선의 기울기에서 알 수 있듯이 가장 빠르게 반응하는 물질이기도 합니다: 이 자료의 경우 가장 가파르게 반응합니다. 세 샘플 모두에 대한 전환율을 보여주는 그림 2는 이 결과를 보여줍니다. 피크 최대값이 높고 피크 최대값 이전의 기울기가 가파를수록 전환율이 빨라집니다. 결과적으로 글리터가 있는 투명 샘플의 경화가 가장 빠릅니다(자외선 노출 후 11.5초 만에 최대값에 도달하고 7.0%/s의 가장 높은 전환율과 연관됨).
이와 대조적으로 검은색 샘플은 정반대의 행동을 보입니다. 반응이 가장 느리며(최대치에 도달하기 전 곡선의 기울기가 더 완만하여 12.3초에서 최대치가 3.8%/s인 전환율 곡선으로 이어짐), 가장 낮은 에너지 방출(127J/g)과 관련이 있습니다.
빨간색 네일 젤은 반응 속도와 경화 엔탈피 모두에서 다른 두 가지 사이의 경화 거동을 보여줍니다.
그림 3은 세 샘플 모두에 대한 복합 탄성률 곡선을 표시합니다. 경화 전에는 모든 샘플의 강성이 70~80Pa로 비슷합니다. 계수가 크게 증가하면 경화가 시작되었음을 나타냅니다. DSC와 마찬가지로 곡선의 기울기는 반응 속도와 관련이 있습니다. 글리터가 포함된 투명 네일 젤이 가장 빨리 경화되고 검은색 샘플이 세 샘플 중 가장 느리게 경화되는 것으로 나타났습니다.
샘플의 최종 모듈러스도 다릅니다. 글리터가 포함된 투명 젤의 탄성률은 경화 중에 60배 증가한 반면, 검은색 젤은 40배 미만으로 감소했습니다. 이는 투명 젤이 경화 후 가장 높은 강성을 나타낸다는 것을 의미합니다.
또한 그림 4는 검은색 샘플의 자외선 아래에서 경화 과정 중 G', G'', δ의 곡선을 보여줍니다. 측정 초기에는 점성 전단 계수(G", 파란색)가 탄성 전단 계수(G', 빨간색)보다 높습니다. 위상각이 높습니다(80° 이상). 즉, 이러한 측정 조건에서 경화되기 전 네일 젤은 탄성 특성이 매우 약한 완벽한 점성 액체처럼 작동합니다.
경화 반응은 G''와 G''의 증가로 이어집니다. 자외선 노출 후 7초 후에 교차합니다. 실제로 크로스오버는 이 시점부터 경화를 통해 구축된 네트워크가 1Hz에 해당하는 시간 스케일에서 재료의 흐름을 막을 수 있을 만큼 충분히 강하다는 것을 의미합니다. 측정이 끝날 때 G' 및 G"의 곡선은 이 상승이 크지 않더라도 여전히 증가하고 있습니다. 자외선에 노출되면 램프가 꺼져도 경화 과정이 계속될 수 있습니다.
위상 각도
위상각 δ(δ = G''/G')는 재료의 점성 및 탄성 특성을 상대적으로 측정한 값입니다. 완전 탄성 소재의 경우 0°부터 완전 점성 소재의 경우 90°까지 다양합니다.
경화 속도가 빠르면 샘플이 더 좋아지나요?
경화 속도가 빠르면 소비자에게 유리합니다. 그러나 적용 후 매니큐어의 최종 특성도 물론 중요합니다. 경화 후 진폭 스윕은 내부 구조에 대한 정보를 제공함으로써 경화 후 젤의 거동을 예측하는 데 도움이 됩니다.
이를 위해 그림 5에서 두 극단적인 샘플(글리터와 검은색)의 선형-점탄성 영역을 비교합니다.
블랙 네일 젤의 선-탄성 영역이 투명 샘플보다 더 넓고 낮은 계수로 나타나, 경화된 블랙 젤이 더 유연할 가능성이 높다는 것을 알 수 있습니다.
투명 네일 젤이 검은색 네일 젤보다 더 빨리 경화되더라도 더 부서지기 쉬운 특성을 나타냅니다.
선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER - 선형 점탄성 영역
- 선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER는 변형률과 응력이 비례하는 진폭 범위입니다.
- 선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER에서는 적용된 응력(또는 변형)이 구조의 구조적 파괴를 일으키지 않으므로 미세 구조적
결론
DSC와 회전 레오메트리는 네일 젤의 경화 특성을 분석하는 두 가지 상호 보완적인 방법입니다.
두 방법 모두 경화 속도를 강조합니다. DSC 300 Caliris® 은 경화 중 방출되는 에너지에 대한 정보를 추가로 제공하며, 키넥서스를 사용한 측정은 경화 중 및 경화 후 다양한 제품의 특성을 비교합니다.