Beoordeling van dispersiestabiliteit met behulp van oscillatietests op een rotatiereagometer - Douchegels

Inleiding

Of de langetermijnstabiliteit van een emulsie of suspensie wordt bepaald door een nulschuifviscositeit of een OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning, hangt af van de microstructuur. Bovendien is de toestand van deze microstructuur op lange tijdschalen belangrijk, omdat dit uiteindelijk is waar elke gedispergeerde fase mee te maken krijgt bij langdurige opslag.

Er zijn een aantal testen om veranderingen in reologische eigenschappen als functie van tijd te evalueren. Een kruiptest is bij uitstek geschikt voor deze taak, omdat hierbij de reactie op een toegepaste spanning direct als functie van de tijd wordt bekeken. Een andere nuttige test is een oscillatiefrequentiemeting waarbij het monster achtereenvolgens op een aantal verschillende frequenties wordt geschud. Aangezien frequentie het omgekeerde is van tijd, komen hoge frequenties overeen met korte tijdschalen en lage frequenties met lange tijdschalen. Opgemerkt moet worden dat de tijdschaal overeenkomt met de hoekfrequentie (ω) in tegenstelling tot de cyclische frequentie bij oscillatietesten.

Door het evalueren van veranderingen in de elastische (of opslag) modulus, G'; viskeuze (of verlies) modulus, G"; en fasehoek, δ, over een beperkt frequentiebereik is het mogelijk om te bepalen of een materiaal waarschijnlijk een OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning of een nul afschuifviscositeit heeft en ook mogelijke stabiliteitsproblemen. Voorbeelden van veelvoorkomende frequentieresponsies voor verschillende materialen worden getoond in Figuur 1. Als G' groter is dan G" bij lage frequenties, bijv. <0,01Hz, dan kan worden afgeleid dat het materiaal een netwerkstructuur heeft die moet worden afgebroken voordat de stroming kan beginnen, d.w.z. het heeft een OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning. Als G" groter is dan G' bij lage frequenties, geeft dit aan dat macroscopische stroming kan optreden en de stabiliteit wordt dan waarschijnlijk bepaald door de nul afschuifviscositeit of viscositeit die overeenkomt met de spanning die wordt opgelegd door de gedispergeerde fase.

Omdat het moeilijk is om toegang te krijgen tot deze zeer lage frequenties op een reometer vanwege de lange testtijden, is het nuttig om de algemene vorm van de krommen te evalueren. Aangezien de fasehoek, δ, en de elasticiteitsmodulus, G', algemene indicatoren zijn van structurele eigenschappen, kunnen de grootte en de richting van de verandering met afnemende frequentie de aard van de materiaalrespons op langere tijden aangeven.

• Als G' grotendeels onafhankelijk is van de frequentie en de fasehoek constant blijft of afneemt bij afnemende frequentie, zoals bij een visco-elastische vaste stof of gelstructuur, dan kunnen we concluderen dat het waarschijnlijker is dat het materiaal de netwerkstructuur zal behouden en dat het stabieler zal zijn.
• Als de fasehoek, δ, toeneemt en G' afneemt met afnemende frequentie, dan geeft dit aan dat de elastische elementen van de structuur (het netwerk) ontspannen en vloeibaar worden.
  

Deze waarnemingen moeten ook worden weerspiegeld in de complexe viscositeit, η*, die voor vloeistoffen het begin van een nulschuifviscositeitsplafond naar lagere frequenties zal laten zien, terwijl voor vaste stoffen met een netwerkstructuur een steeds toenemende waarde van η* moet worden waargenomen, zoals getoond in figuur 2.

Voor praktisch gebruik van deze techniek is het belangrijk om de vorm van de krommen onder de juiste omstandigheden te evalueren. Een minimumfrequentie van 0,01 Hz kan voldoende zijn om het stabiliteitspotentieel te evalueren, maar een frequentiegrootte lager dan dit, hoewel tijdrovender, zal een nauwkeuriger beeld geven van lage frequentietrends. De testtemperatuur is ook belangrijk omdat structurele relaxatie over het algemeen op kortere tijdschalen optreedt bij toenemende temperaturen door een snellere herschikking van de structuur. Daarom kunnen testen bij hogere temperaturen de werkelijke opslagcondities beter nabootsen en het mogelijk gemakkelijker maken om probleemmonsters eruit te pikken. Het is echter belangrijk dat bij het werken bij hogere temperaturen gedurende langere tijd de VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping van het monster wordt voorkomen.

Deze toepassingsnotitie toont de methodologie en gegevens van oscillatiefrequentietests voor een reeks douchegels en hun vermogen om gedispergeerde bellen in de formules op te sluiten.

Experimenteel

• Een reeks douchegels met verschillende niveaus van een associatief verdikkend polymeer (variërend van 0% tot 8%) werden geëvalueerd op hun vermogen om bubbels gedurende langere perioden bij kamertemperatuur in suspensie te houden.
• Rotatie reometer metingen werden uitgevoerd met behulp van een Kinexus reometer met een Peltier plaatcartridge en een kegel- en plaatmeetsysteem1, en met gebruik van standaard voorgeconfigureerde sequenties in rSpace software.
• Er werd een standaard beladingsvolgorde gebruikt om ervoor te zorgen dat de monsters onderworpen werden aan een consistent en controleerbaar beladingsprotocol. ∙ Alle reologiemetingen werden uitgevoerd bij 25°C tenzij specifiek vermeld.
• Een rekgestuurde amplitude sweep wordt uitgevoerd om de lengte van de lineaire visco-elastische regio (Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER) te meten en om een geschikte rekwaarde te bepalen voor gebruik in de daaropvolgende frequentie sweep test (de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER-bepaling is geautomatiseerd binnen rSpace software en de bepaalde rekwaarde wordt in het volgende deel van de reeks gebruikt).
• Er wordt een frequentiemeting uitgevoerd bij de vooraf bepaalde rekwaarde binnen de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER, tussen standaardwaarden van 10 Hz en 0,005 Hz.

Resultaten en discussie

Figuur 3 toont de frequentietrekgegevens voor de geteste douchegelproducten. Het is duidelijk dat het verhogen van de concentratie van het associatieve verdikkingsmiddel de mate van elasticiteit verhoogt, zoals blijkt uit de toename van G' en de afname van de fasehoek. Deze elasticiteit ontstaat door verknoping van de oppervlakteactieve micellen, die bij de juiste concentraties een gelachtige structuur kunnen vormen.

Monsters met 6% en 8% associatief polymeer hebben hogere waarden van G' bij de lage frequenties, wat duidt op een grotere mate van verknoping, terwijl de waarde en richting van de fasehoek aangeeft dat deze materialen vast of gelachtig gedrag vertonen in dit frequentiebereik. Dit is gunstig voor de stabiliteit omdat het wijst op de waarschijnlijkheid van een OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning of ten minste een hoge nul afschuifviscositeit bij lagere frequenties.

Voor de monsters met lagere waarden van associatief polymeer is G" dominant en neemt de fasehoek toe met afnemende frequentie, wat duidt op structurele OntspanningWanneer een constante spanning wordt uitgeoefend op een rubbermengsel, is de kracht die nodig is om die spanning te handhaven niet constant maar neemt deze af met de tijd; dit gedrag staat bekend als spanningsrelaxatie. Het proces dat verantwoordelijk is voor spanningsrelaxatie kan fysisch of chemisch zijn en onder normale omstandigheden zullen beide tegelijkertijd optreden. ontspanning en dus op vloeibaar gedrag in dit frequentiegebied, wat niet zo gunstig is voor de stabiliteit.

Dit wordt ook weerspiegeld in de complexe viscositeit, η* (zie figuur 4), waarbij de bodywash zonder polymeer-additief een nul afschuifviscositeitsplafond vertoont (d.w.z. vloeibaar gedrag) met een waarde van ongeveer 5 Pas. Daarentegen vertoont het monster met 8% associatief polymeer power law gedrag over hetzelfde bereik met een viscositeit van bijna 1000 Pas bij 0,01 Hz. Of dit laatste al dan niet een plateau zou vertonen bij lagere frequenties kan alleen worden geëvalueerd door te testen tot lagere frequenties (of als alternatief kruiptesten), maar desalniettemin zou de viscositeit bij deze lagere frequenties voldoende hoog moeten zijn om de sedimentatie van een gedispergeerde fase te vertragen.

Conclusie

Het is mogelijk om de dispersiestabiliteit te voorspellen door een frequency sweep test uit te voeren binnen de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER onder de juiste meetomstandigheden. Dit is aangetoond voor vijf douchegelproducten die verschillende concentraties van een associatief verdikkingsmiddel bevatten. Monsters met een hoog polymeergehalte vertonen gelachtig gedrag met hogere waarden van G' en een lage fasehoek die niet toeneemt naar lagere frequenties. Aangetoond is dat deze monsters in staat zijn om bubbels gedurende langere perioden in suspensie te houden.

Let op ...

dat een parallelle plaatgeometrie of een cilindrische geometrie ook kan worden gebruikt. Een zandgestraalde geometrie moet overwogen worden als het materiaal waarschijnlijk wandslip effecten vertoont. Grotere geometrieën zijn nuttig voor metingen bij lage draaimomenten, die waarschijnlijker zijn bij lagere frequenties. Het gebruik van een oplosmiddelvanger wordt ook aanbevolen voor deze tests, omdat VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping van oplosmiddel (bijv. water) rond de randen van het meetsysteem de test ongeldig kan maken, vooral bij hogere temperaturen.