Inleiding
Het beoordelen van de stabiliteit op lange termijn van een dispersie of emulsie kan een vervelend en tijdrovend proces zijn; het is echter essentieel om te garanderen dat een product aan de kwaliteitsnormen voldoet. Formuleerders bereiken stabiliteit vaak door een combinatie van effecten: het minimaliseren van de grensspanning, het verhogen van de sterische of elektrostatische afstoting van de gedispergeerde fase en/of het verhogen van de viscositeit van de continue fase. Voor verdunde dispersies kan het gecombineerde effect van deze factoren vaak worden weerspiegeld in de nulschuifviscositeit, die een indicatie kan geven van de snelheid waarmee druppels samenklonteren en zich scheiden, of dispersies bezinken. Bij meer geconcentreerde systemen kan er een netwerkstructuur ontstaan door interactie tussen gedispergeerde fasen of vastlopen van deeltjes/druppels. In dit geval zal de stabiliteit grotendeels gerelateerd zijn aan de sterkte van de netwerkstructuur, die gekwantificeerd kan worden door de 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.
Voor stabiliteit moet de 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 groter zijn dan de spanning die wordt opgelegd door de gedispergeerde fase onder invloed van de zwaartekracht. Dit kan worden geschat met de volgende vergelijking:
Er zijn een aantal experimentele testen om de 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 bepalen. Een van de snelste en eenvoudigste methoden is een afschuifspanningstest uit te voeren en de spanning te bepalen waarbij een viscositeitspiek wordt waargenomen. Voorafgaand aan deze viscositeitspiek ondergaat het materiaal elastische vervorming. Deze piek vertegenwoordigt dus het punt waarop de elastische structuur afbreekt (bezwijkt) en het materiaal begint te stromen.
Wil een systeem stabiel zijn, dan moet de 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 voldoende zijn om de spanningen te weerstaan die worden opgelegd door de gedispergeerde deeltjes, maar ook extra spanningen die bijvoorbeeld tijdens het transport van het product kunnen optreden.
Deze toepassingsnotitie toont de methodologie en gegevens voor het evalueren van de stabiliteit van twee douchegelproducten (bodywash) aan de hand van hun vermogen om bubbels op te lossen als productvereiste.
Experimenteel
- Twee commerciële douchegelproducten werden geëvalueerd: één met alleen oppervlakteactieve stoffen en één met oppervlakteactieve stoffen en een associatief verdikkingsmiddel.
- Het laatste product is speciaal geformuleerd om bubbels in de fles te laten zweven terwijl het product in de schappen ligt (opmerking - om de invloed van de bubbels op het reologische gedrag te elimineren, werden de bubbels in dit monster vóór de test verwijderd door centrifugeren).
- In de software rSpace werd een deeltjesstresscalculator gebruikt om de spanning te berekenen die een gedispergeerd deeltje uitoefent op het omringende medium, met de deeltjeseigenschappen als invoer voor de gebruiker (zie vergelijking 1).
- Rotatie reometer metingen werden uitgevoerd met behulp van een Kinexus reometer met een Peltier plaatcartridge en een conus en plaat meetsysteem1, en met gebruik van standaard voorgeconfigureerde sequenties in rSpace software.
- Er werd een standaard beladingsvolgorde gebruikt om ervoor te zorgen dat beide monsters onderworpen werden aan een consistent en controleerbaar beladingsprotocol.
- Alle reologiemetingen werden uitgevoerd bij 25°C.
- Er werd een afschuifspanningsaanloop uitgevoerd en de gegevens werden geanalyseerd met behulp van een piekanalyse om de 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 bepalen.
- De grootte van de 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 van het product wordt vervolgens vergeleken met de opgelegde spanning die is berekend op basis van de eigenschappen van gedispergeerde deeltjes om de stabiliteit van het systeem op lange termijn te beoordelen.
Resultaten en discussie
Figuur 1 toont de viscositeit-tegen-belastingcurves voor de twee douchegelmonsters in de StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.stress ramp test. De gegevens voor Bodywash 2 vertonen een duidelijke viscositeitspiek in de StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.stress ramp test, terwijl de gegevens voor Bodywash 1 relatief vlak zijn. Dit impliceert dat Bodywash 2 een rekharding vertoont die gepaard gaat met 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, terwijl Bodywash 1 zich gedraagt als een vloeistof met een afschuifviscositeit van nul.
In sommige gevallen kunnen visco-elastische vloeistoffen een lichte piek in viscositeit vertonen, ook al hebben ze geen echte 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. In dit geval kan een oordeel van de gebruiker nodig zijn of kan een alternatieve test zoals een kruiptest of afschuifsnelheidstest worden gebruikt om de aanwezigheid van een viscositeit zonder afschuifsnelheid te bevestigen2.
De gemeten 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 voor Bodywash 2 was 4 Pa.
Met behulp van vergelijking 1 kunnen we voorspellen dat de spanning die wordt uitgeoefend door een luchtbel met een diameter van 100 μm ongeveer 0,65 Pa bedraagt, zodat 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 van 4 Pa voldoende zou moeten zijn om de bellenfase op te schorten, hoewel er ook rekening moet worden gehouden met extra spanningen tijdens het transport en een potentiële afname van de netwerksterkte door een hogere temperatuur.
Aangezien Bodywash 1 geen vloeispanning heeft, is een nauwkeurige waarde van de nulschuifviscositeit nodig om de stabiliteit te evalueren, zoals een analyse van een kruiptest. Uit de gegevens van deze test bleek dat de nulafschuifviscositeit 8 Pas was en op basis van deze waarde werd een belstijgsnelheid van ongeveer 6 cm per dag voorspeld voor een bel van 100 μm. Dit is duidelijk onaanvaardbaar om de stabiliteit van het gedispergeerde systeem op de lange termijn te handhaven en er zou een vloeispanning moeten worden ingebouwd om de vereiste stabiliteit op de lange termijn en houdbaarheid voor een product met luchtbelafscheiding te verkrijgen.
Conclusie
Twee douchegelproducten werden vergeleken met behulp van een hellingshoektest. Bodywash 2, dat een associatief verdikkingsmiddel bevat, bleek een vloeispanning te hebben die gasbellen kon vasthouden. Bodywash 1, dat geen extra verdikkingsmiddel bevat, had een nul afschuifviscositeit die onvoldoende was om de stabiliteit op lange termijn te bevorderen. De test biedt daarom een snelle en handige manier om de suspensiestabiliteit voor een bepaalde deeltjesgrootte en DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid te voorspellen.
Let op ...
dat een parallelle plaatgeometrie ook kan worden gebruikt - waarbij deze geometrie de voorkeur heeft voor dispersies en emulsies met large deeltjesgrootte. Dergelijke materiaalsoorten kunnen ook het gebruik van gekartelde of geruwde geometrieën vereisen om artefacten met betrekking tot slip aan het geometrieoppervlak te voorkomen.