Inleiding
Van transparant tot zwart, met alle kleuren van de regenboog, de markt van nagelgels (die uitharden) en nagellakken (die aan de lucht drogen) biedt een grote verscheidenheid aan producten. Ook al is het eerste selectiecriterium vaak een esthetisch criterium, de consument wil ook een product dat praktisch is om aan te brengen en dat de gewenste afwerking en prestaties geeft. Daarom moet de perfecte nagelgel of nagellak relatief vloeibaar aanvoelen zodat het gemakkelijk met een kwastje kan worden aangebracht, maar zonder buiten de nagel te vloeien. De droogtijd of uithardingstijd moet zo kort mogelijk zijn en leiden tot een glad oppervlak voor een onberispelijk uiterlijk. Tot slot is het ook wenselijk dat de manicure lang houdt, zonder dat het te moeilijk is om te verwijderen.
Sommige soorten nagelgels hebben een UV-lamp nodig om uit te harden. Deze producten bevatten een foto-initiator die de uithardingsreactie in gang zet zodra de gel in contact komt met de geschikte golflengtes die door de lamp worden uitgezonden.
De belichtingstijd, de golflengte en de intensiteit van de lamp zijn van groot belang om de nagelgel op de juiste manier te laten uitharden.
Experimenteel
De UV-uitharding van drie nagelgels werd gekarakteriseerd met twee verschillende methoden:
- Differential scanning calorimetrie (DSC): gebruikt om informatie te verkrijgen over de snelheid en de tijd van uitharding.
- Rotatie reometrie om de modulusverandering van de nagelgel tijdens UV-blootstelling te karakteriseren.
De monsterkleuren waren rood, zwart en transparant. Het heldere monster bevatte gesuspendeerde glitters.
Tabel 1 geeft een overzicht van de omstandigheden waaronder de drie verschillende monsters werden getest.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| DSC | Apparaat | DSC 300 Caliris® met H-module |
|---|---|---|
| Monstermassa | 3.0 mg | |
| Smeltkroes | Concavus®® (aluminium, open) | |
| Temperatuur | 30°C (IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm) | |
| Atmosfeer | Stikstof (20 ml/min) | |
| Lamp | Omnicure® S 2000 (golflengtebereik: 320 tot 500 nm) | |
| Belichtingsduur | 180 s | |
| Roterende reometrie | Apparaat | Kinexus |
| Geometrie | PP8 (plaat, diameter: 8 mm) | |
| Kloof | 250 μm | |
| Temperatuur | 25°C | |
| Atmosfeer | Omgeving (lucht) | |
| Lamp | Omnicure® S 2000 (golflengtebereik: 320 tot 500 nm) | |
| Belichtingsduur | 30 s |
DSC - Functioneel principe
Gebaseerd op ISO 11357 is heat-flux DSC een techniek waarbij het verschil tussen de warmtestroomsnelheid in een monster kroes en die in een referentie kroes wordt bepaald als functie van temperatuur en/of tijd. Tijdens een dergelijke meting worden het monster en de referentie onderworpen aan hetzelfde gecontroleerde temperatuur/tijdprogramma en dezelfde atmosfeer.
Rotationele reometrie (oscillatiemeting) - Functioneel principe
De bovenste plaat trilt met een bepaalde frequentie f [Hz] (of ω [rad/s]) en amplitude [%] (of schuifrek γ [%]), γ = γo + sin (ωt).
De schuifspanning σ [Pa] die nodig is voor deze TrillingEen mechanisch proces van oscillatie wordt trilling genoemd. Vibratie is een mechanisch fenomeen waarbij oscillaties optreden rond een evenwichtspunt. In veel gevallen zijn trillingen ongewenst, verspillen ze energie en maken ze ongewenst geluid. De trillingsbewegingen van motoren, elektromotoren of elk mechanisch apparaat dat in werking is, zijn bijvoorbeeld meestal ongewenst. Zulke trillingen kunnen worden veroorzaakt door onbalans in de roterende onderdelen, ongelijke wrijving of het in elkaar grijpen van tandwieltanden. Zorgvuldige ontwerpen minimaliseren meestal ongewenste trillingen.trilling wordt bepaald: σ = σ0 + sin(ωt+δ).
Resultaat: De visco-elastische eigenschappen van het monster worden bepaald, in het bijzonder de complexe stijfheid G* (|G*| in [Pa]).
Het "in-fase" deel van G* is gerelateerd aan de elastische eigenschappen (→ G', opslag afschuifmodulus), het "uit-fase" deel aan de viskeuze eigenschappen (→ G'', verlies afschuifmodulus) van het visco-elastische materiaal.
Thermische analyse en uithardingssnelheid
Uithardingseffecten kunnen in de DSC-curves worden waargenomen in de vorm van exotherme effecten. De uithardingsreactie kan worden geïnitieerd door warmte of door UV-licht bij gebruik van een DSC met een UV-lamp (foto-DSC).
Figuur 1 toont de foto-DSC-curves die zijn verkregen tijdens UV-blootstelling van de drie nagelgels. Het piekgebied geeft de uithardingsenthalpie weer. Hoe hoger de waarde, hoe meer energie er vrijkomt tijdens de reactie.
Het heldere monster met glitters heeft de uithardingspiek met de hoogste reactieenthalpie (211 J/g). Dat betekent niet dat het meer tijd nodig heeft dan de andere twee om de reactie af te ronden. Het is ook degene die het snelst reageert, zoals blijkt uit de helling van de curve voordat het maximum van de piek wordt bereikt: Deze is het steilst voor dit materiaal. Figuur 2, die de omzettingssnelheid weergeeft voor alle drie de monsters, illustreert dit resultaat. Hoe hoger de piekwaarde en hoe steiler de helling voor het piekmaximum, hoe sneller de omzettingssnelheid. Bijgevolg is de uitharding het snelst voor het heldere monster met glitters (piekmaximum al bereikt bij 11,5 s na blootstelling aan UV-licht en geassocieerd met de hoogste omzettingssnelheid van 7,0%/s).
Het zwarte monster vertoont daarentegen het tegenovergestelde gedrag. De reactie is het traagst (een meer geleidelijke helling van de curve vóór het piekmaximum, wat leidt tot een omzettingssnelheidscurve met een piekmaximum van 3,8%/s bij 12,3 s) en gaat gepaard met de laagste energieafgifte (127 J/g).
De rode nagelgel vertoont een uithardingsgedrag tussen de andere twee in, zowel voor de reactiesnelheid als de uithardingsenthalpie.
Figuur 3 toont de curven van de Complexe ModulusDe complexe modulus bestaat uit twee componenten, de opslagmodulus en de verliesmodulus. De opslagmodulus (of Young's modulus) beschrijft de stijfheid en de verliesmodulus beschrijft het dempende (of visco-elastische) gedrag van het overeenkomstige monster volgens de methode van Dynamische Mechanische Analyse (DMA). complexe modulus voor alle drie de monsters. Vóór uitharding hebben alle monsters een vergelijkbare stijfheid van 70 - 80 Pa. De significante toename in modulus geeft aan dat het uitharden is begonnen. Net als bij DSC is de helling van de curve gerelateerd aan de reactiesnelheid. De resultaten komen overeen met die verkregen met DSC: de heldere nagelgel met glitters hardt het snelst uit en het zwarte monster hardt het langzaamst uit van de drie monsters.
De monsters verschillen ook in hun uiteindelijke modulus. De modulus van de heldere gel met glitters neemt toe met 6 decennia tijdens uitharding, tegenover minder dan 4 decennia voor de zwarte gel. Dit betekent dat de heldere gel de hoogste stijfheid vertoont na uitharding.
Bovendien toont figuur 4 de curven van G', G'' en δ tijdens het uithardingsproces onder UV-licht van het zwarte monster. Aan het begin van de meting is de viskeuze afschuifmodulus (G', blauw) hoger dan de elastische afschuifmodulus (G', rood). De fasehoek is hoog (meer dan 80°). Dit betekent dat de nagelgel zich onder deze meetomstandigheden, vóór uitharding, bijna gedraagt als een perfecte viskeuze vloeistof met slechts zeer zwakke elastische eigenschappen.
De uithardingsreactie leidt tot een toename van zowel G' als G''. Ze kruisen elkaar 7 seconden na UV-blootstelling. In de praktijk betekent de kruising dat het netwerk dat door uitharding is opgebouwd vanaf dat moment sterk genoeg is om stroming van het materiaal te voorkomen op de tijdschaal die overeenkomt met 1 Hz. Aan het einde van de meting stijgen de curven van G' en G" nog steeds, ook al is deze stijging niet significant. De blootstelling aan UV-licht initieerde een uithardingsproces dat kan doorgaan ondanks dat de lamp is uitgeschakeld.
Fasehoek
De fasehoek δ (δ = G''/G') is een relatieve maat voor de viskeuze en elastische eigenschappen van een materiaal. Deze varieert van 0° voor een volledig elastisch materiaal tot 90° voor een volledig viskeus materiaal.
Maakt een hoge uithardingssnelheid het monster beter?
Een snellere uitharding is voordelig voor de consument. Maar de uiteindelijke eigenschappen van de manicure na het aanbrengen zijn natuurlijk ook belangrijk. Een post-cure amplitude sweep helpt ons het gedrag van de gels na uitharding te voorspellen door informatie te geven over hun inwendige structuur.
Daarom wordt in afbeelding 5 het lineair-visco-elastische gebied van de twee extreme monsters (transparant met glitters en zwart) vergeleken.
Het 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-plateau van de zwarte nagelgel is breder met een lagere modulus dan dat van het heldere monster, wat aangeeft dat de uitgeharde zwarte gel waarschijnlijk flexibeler is.
Zelfs als de heldere nagelgel sneller uithardt dan de zwarte, zal deze ook meer brosse eigenschappen vertonen.
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 - Lineair visco-elastisch gebied
- Het 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 is het amplitudebereik waar rek en spanning evenredig zijn.
- In het 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 zijn de toegepaste spanningen (of spanningen) onvoldoende om structurele afbraak van de structuur te veroorzaken en dus microstructuur
Conclusie
DSC en rotationele reometrie zijn twee complementaire methoden voor het karakteriseren van de uitharding van nagelgels.
Beide methoden belichten de uithardingssnelheid. De DSC 300 Caliris® geeft bovendien informatie over de energie die vrijkomt tijdens het uitharden, terwijl metingen met de Kinexus de eigenschappen van de verschillende producten tijdens en na het uitharden vergelijken.