Charakterystyka mikrostruktury "miceli robakopodobnych" za pomocą reologii

Wprowadzenie

Właściwości miceli ślimakopodobnych (WLM) stanowią kluczowyarcobszar badań zarówno w środowisku akademickim, jak i w przemyśle. Wynika to przede wszystkim z faktu, że mają one szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, od higieny osobistej po odzyskiwanie ropy naftowej. Oferują one prosty, opłacalny sposób generowania niezwykłej lepkości i lepkosprężystości. Można z nich tworzyć "inteligentne" lub reagujące na bodźce struktury, które mogą przechodzić w inną fazę o uderzająco różnej reologii. Taka reakcja jest bardzo interesująca dla zastosowań biomedycznych i dostarczania leków, a także dla separacji przy użyciu urządzeń mikroprzepływowych.

Micele przypominające robaki mogą być tworzone z szerokiej gamy różnych układów surfaktantów (Ionic, cationic i zwitterionic), a także z różnych kopolimerów blokowych. Kluczowym interesującym czynnikiem jest to, że chociaż mogą być tworzone z tak szerokiej gamy gatunków chemicznych, ich odpowiedź reologiczna jest uderzająco podobna i mają one wyraźną sygnaturę reologiczną. Opracowania teoretyczne, które są obecnie dobrze ugruntowane i powszechnie akceptowane, pozwalają nie tylko na wykrycie struktury (ujawnionej przez odrębną sygnaturę reologiczną), ale także na ekstrakcję ważnych parametrów strukturalnych.

Pozwala to badaczomarcuzyskać wgląd w to, w jaki sposób różne warunki formulacji, takie jak poziom elektrolitu, pH lub skład środka powierzchniowo czynnego, wpływają na mikrostrukturę utworzonej miceli przypominającej robaka. Micele robakopodobne są w zdecydowanej większości przypadków utworzone z surfaktantów, które są cząsteczkami amfifilowymi. W zależności od parametru upakowania środka powierzchniowo czynnego, środki powierzchniowo czynne mogą łączyć się w szeroką gamę mikrostruktur (patrz Tabela 1).

Tabela 1: Wpływ parametru upakowania na mikrostrukturę formowanej powierzchni

Gdy parametr upakowania wynosi od 1/2 do 1/3, wówczas cząsteczki środka powierzchniowo czynnego mogą układać się w układ micelarny przypominający pręty. W oparciu o ich termodynamikę, te pręcikowate micele mogą nadal rosnąć wraz ze wzrostem stężenia lub po dodaniu elektrolitu lub ko-surfaktantu do miceli przypominających robaki, a następnie do nematycznych ciekłych kryształów (rysunek 1).

Każda z różnych faz zilustrowanych na rysunku 1 wykazuje wyraźne właściwości reologiczne. Najbardziej wyraźną i wyraźną sygnaturą reologiczną jest półrozcieńczona i skoncentrowana micela przypominająca robaka. Przejścia od fazy rozcieńczonej do półrozcieńczonej i od stężonej do nematycznej można również śledzić za pomocą reologii.

Ponieważ są one podstawowymi strukturami budującymi reologię w szerokim zakresie różnych zastosowań, zrozumienie ich sygnatury reologicznej oraz zmian w ich strukturze i odpowiadającej im reologii po dodaniu / zmianie składu jest kluczowym wglądem pożądanym zarówno przez naukowców akademickich, jak i przemysłowych. Reologia może dostarczyć szczegółowych informacji na temat wzrostu miceli, splątania, rozgałęziania i przejść indukowanych ścinaniem.

Teoria

Micele robakopodobne są podobne do polimerów, są długie i elastyczne, a ich spektakularna lepkość i lepkosprężystość jest napędzana przez splątanie miceli robakopodobnych. Dwie kluczowe cechy strukturalne, które kontrolują ich reologiczną odpowiedź, to długość konturu L (miara odległości od końca do końca) i długość trwałości lp (miara elastyczności miceli). Na elastyczność układu wpływa długość korelacji hydrodynamicznej ξH ślimakopodobnej miceli.

Relaksacja naprężeń w miceli robakopodobnej, podobnie jak w polimerach, może odbywać się poprzez reptację (relaksacja naprężeń poprzez wężowy ruch polimeru przez rurkę utworzoną przez jego sąsiadów, aż do opuszczenia rurki, w którym to momencie naprężenie jest całkowicie zrelaksowane), a także poprzez pękanie i ponowne formowanie.

Czas reptacji zależy od frakcji objętościowej φ i jest określony przez: τrep ~ ^L3φ3/4

Czas łamania/formowania jest określony przez: _τbreak ~ 1/L

Gdy _τbreak > _τrep, micele zachowują się bardzo podobnie do niełamliwych polimerów, z wykładniczą polidyspersyjnością, a relaksacja naprężeń przyjmuje postać:

Eksperymentalny

• W tym eksperymencie oceniano płyn do mycia ciała o strukturze miceli w kształcie robaka w celu określenia jego czasu relaksacji i długości korelacji hydrodynamicznej.
• Pomiary reometrem rotacyjnym wykonano przy użyciu reometru Kinexus z wkładem z płytką Peltiera oraz stożkowym i płytkowym systemem ^pomiarowym1, wykorzystując standardowe wstępnie skonfigurowane sekwencje w oprogramowaniu rSpace.
• Zastosowano standardową sekwencję ładowania, aby zapewnić, że próbka podlega spójnemu i kontrolowanemu protokołowi ładowania.
• Wszystkie pomiary reologiczne przeprowadzono w temperaturze 25°C.
• Test przemiatania częstotliwości przeprowadzono w zakresie od 0,2 do 40 rad/s, stosując wartość odkształcenia w zakresie Liniowy obszar lepkosprężysty (LVER)W LVER przyłożone naprężenia są niewystarczające do spowodowania strukturalnego rozpadu (plastyczności) struktury, a zatem mierzone są ważne właściwości mikrostrukturalne.LVER.
• Wykres Cole'a-Cole'a (wykres G'' vs G'') został utworzony automatycznie z przemiatania częstotliwości w celu ustalenia, czy uzyskano charakterystyczny półokrągły kształt (odpowiedź Maxwella) miceli przypominającej robaka.
• Wartości dla Gp i τ zostały wyodrębnione z danych przemiatania częstotliwości i ξH obliczone na podstawie tych pierwszych.

Wyniki i dyskusja

Odpowiedź częstotliwościowa G', G'' dla produktu do mycia ciała jest pokazana na rysunku 2(a), a odpowiadający jej wykres Cole-Cole jest pokazany na rysunku 2(b).

Dane pokazane na rysunku 2(a) są podobne do tych oczekiwanych dla modelu Maxwella z pojedynczym czasem relaksacji, z początkiem plateau w G' przy wysokich częstotliwościach (_Gp) i przejściem w G'/G" przy _ωc = 1/τ. Półokrągły kształt wykresu Cole-Cole potwierdza zachowanie Maxwella. Większość prostych produktów do mycia ciała lub przezroczystych szamponów generalnie odpowiada temu zachowaniu, struktura miceli przypominająca robaka wynika z połączeniaionic i zwitterionic środków powierzchniowo czynnych w obecności soli. W bardziej złożonych preparatach obecność innych dodatków, takich jak perfumy i środki perłowe, może powodować odchylenie od czysto splątanego, robakowatego układu miceli. Jeśli to odchylenie utrzymuje się przy braku jakichkolwiek dodatków, można je przypisać zmianom w mikrostrukturze i skuteczności strukturyzacji układu środka powierzchniowo czynnego. Zdolność do osiągnięcia w pełni splątanego, robakowatego układu miceli przy niskim poziomie środka powierzchniowo czynnego i niskim poziomie soli jest wysoce pożądana, ponieważ implikuje wysoce wydajny system strukturyzacji.

Tabela 2: Parametry strukturalne wyodrębnione z danych pomiarowych przy użyciu teorii

Odpowiednie parametry strukturalne wyodrębnione przy użyciu teorii są pokazane dla tego systemu w Tabeli 2.

Wnioski

arcWłaściwości miceli ślimakopodobnych (WLM) stanowią kluczowy obszar badań zarówno w środowisku akademickim, jak i w przemyśle, ponieważ są one wykorzystywane w szerokiej gamie produktów i zastosowań, z których wiele jest krytycznie zależnych od ich podstawowej mikrostruktury. Łącząc pomiary reologiczne ze zrozumieniem teoretycznym, wykazano, że możliwe jest wyodrębnienie kluczowych parametrów mikrostrukturalnych, w tym czasu relaksacji i długości korelacji hydrodynamicznej, które są zarówno charakterystyczne, jak i opisowe dla materiału i jego zachowania reologicznego.

Należy pamiętać, że można również zastosować równoległą geometrię płyty lub geometrię cylindryczną. W przypadku tych testów zaleca się również stosowanie pułapki rozpuszczalnikowej, ponieważ parowanie rozpuszczalnika (np. wody) wokół krawędzi układu pomiarowego może unieważnić test, szczególnie podczas pracy w wyższych temperaturach.