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. Een manier om het bestaan en de grootte van deze viscositeit bij lage afschuiving (zero shear) te bepalen, is door middel van een kruiptest. Bij deze test wordt gedurende langere tijd een constante spanning uitgeoefend en wordt de resulterende rek of conformiteit (rek/spanning) als functie van de tijd gecontroleerd.
Zoals getoond in Figuur 1, zal een zuiver viskeus materiaal een constante toename van de vervorming in de tijd vertonen, wat wijst op stroming, d.w.z. een viskeuze respons in stabiele toestand. Een vaste stof daarentegen zal een nulgradiënt vertonen, wat wijst op een elastische respons.
Voor visco-elastische materialen zal de respons een combinatie zijn van viskeuze en elastische effecten zoals getoond in Figuur 2, waarbij de respons op lange tijden aangeeft of het 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 (elastisch) of een stabiele viskeuze respons (viskeus) heeft. Als het materiaal een stabiele viskeuze respons vertoont, dan wordt de nul afschuifviscositeit eenvoudigweg gegeven door de inverse gradiënt van de compliantie versus tijdgrafiek.
Als de gemiddelde deeltjesgrootte, DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid en volumefractie van de gedispergeerde fase bekend zijn en de nulschuifviscositeit van de continue fase is bepaald, dan kan de snelheid (V) van de gedispergeerde fase worden geschat met behulp van de volgende wijziging van de Stokes-vergelijking:
a = de straal van het deeltje (bol)
Δρ = het dichtheidsverschil tussen deeltje en vloeistof
η = de viscositeit van de vloeistof (nul afschuifviscositeit)
g = versnelling door zwaartekracht
φ = het fasevolume
De waarde van de exponent is over het algemeen 4,75 voor een straal >1 μm en 5,25 voor een straal <1 μm.
Mogelijk kan de dispersie dan opnieuw worden geformuleerd om een lage afschuifviscositeit te verkrijgen die voldoende is om de gedispergeerde fase gedurende de vereiste tijd te laten zweven of om 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 te introduceren die een vaste respons op lange tijd geeft.
Het is belangrijk bij het uitvoeren van een kruiptest dat er voldoende tijd is om een stationaire toestand te bereiken. Als dit niet gebeurt, kan een te lage waarde van de nulafschuifviscositeit worden gerapporteerd of wordt er zelfs een onjuiste aanname gedaan dat het materiaal een nulafschuifviscositeit heeft terwijl het eigenlijk 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 heeft. Aangezien dispersies weken of zelfs maanden achtereen ongestoord op een plank kunnen liggen, moet hier in elk testprotocol rekening mee worden gehouden.
Deze toepassingsnotitie toont de methodologie en gegevens van kruiptesten voor twee commerciële douchegelproducten.
Experimenteel
- Twee commerciële douchegelproducten werden geëvalueerd: een met alleen oppervlakteactieve stoffen en een met oppervlakteactieve stoffen en een associatief verdikkingsmiddel.
- Rotatie reometer metingen werden uitgevoerd met behulp van een Kinexus reometer met een Peltier plaatcartridge en een kegel en plaat meetsysteem1, 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.
- Er wordt een spanningsgecontroleerde amplitudeschuif 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 een geschikte spanningswaarde te bepalen voor de daaropvolgende kruiptest (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 spanningswaarde wordt in het volgende deel van de reeks gebruikt).
- Er wordt een kruiptest uitgevoerd bij de vooraf bepaalde spanningswaarde 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 - waarbij het bereiken van de stationaire toestand als eindvoorwaarde wordt ingesteld (binnen gedefinieerde tolerantievoorwaarden).
- De gegevens worden geanalyseerd met de actie 'viscositeit zonder afschuiving uit kruipgegevens'
- Een Stokes Law calculator in de software schat vervolgens de sedimentatiesnelheid van de deeltjes, gebaseerd op de gemeten viscositeit en door de gebruiker ingevoerde variabelen voor de deeltjeskarakteristieken.
Resultaten en discussie
Figuur 3 toont de kruiprespons voor de twee douchegelproducten op een logaritmische schaal. De twee producten vertonen duidelijk een vergelijkbare initiële elastische respons, maar er zijn verschillen in de vertraagde elastische respons zoals aangegeven door de tijdschaal die nodig is om een stationaire toestand te bereiken. Het tolerantiebereik voor de stationaire toestand dat in deze test werd gebruikt, lag binnen ± 1% gedurende 60 seconden. Het is duidelijk dat monster A vrijwel onmiddellijk een stabiel gedrag vertoont, terwijl monster B nog enige restelasticiteit heeft.
Figuur 4 toont dezelfde grafiek, maar met een lineaire schaal. Dit maakt het gemakkelijker om de verschillen in de gradiënt van de compliantie versus tijd-plots te onderscheiden. Aangezien η0 wordt gegeven door de inverse gradiënt van het steady state-gedeelte van de curve, is het duidelijk dat monster B een hogere nulschuifviscositeit zal hebben dan monster A. Deze waarden werden automatisch berekend als onderdeel van de test en bleken respectievelijk 6 Pas en 12 Pas te zijn voor monster A en B. Volgens vergelijking 1 betekent dit dat monster B de sedimentatiesnelheid van monster B zou verlagen. Volgens vergelijking 1 betekent dit dat monster B de sedimentatiesnelheid met een factor 2 zou verminderen voor suspensies van gelijke deeltjes en volumefracties. Of deze viscositeitswaarden voldoende zijn om effectieve stabiliteit te geven, hangt af van de specifieke grootte, DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid en volume van de gedispergeerde fase, die met onafhankelijke technieken moeten worden bepaald.
Conclusies
Kruiptesten zijn een effectieve manier om de nulschuifviscositeit van een materiaal te bepalen en kunnen worden gebruikt om de stabiliteit van suspensies te beoordelen.
In deze test is aangetoond dat een hoeveelheid van small van een associatief verdikkingsmiddel de nulschuifviscositeit van een douchegel op basis van oppervlakteactieve stoffen kan verdubbelen en de bezinksnelheid met een factor twee kan verminderen (voor suspensies van gelijkwaardige deeltjes en volumefracties).
1Houder rekening mee dat een parallelle plaatgeometrie of een cilindrische geometrie ook kan worden gebruikt. 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 als er bij hogere temperaturen wordt gewerkt.