Wprowadzenie
To, czy długoterminowa stabilność emulsji lub zawiesiny zależy od lepkości przy zerowym ścinaniu, czy od granicy plastyczności, zależy od jej mikrostruktury. Co więcej, ważny jest stan tej mikrostruktury w długich przedziałach czasowych, ponieważ jest to ostatecznie to, co każda rozproszona faza napotka podczas długotrwałego przechowywania. Jednym ze sposobów określenia istnienia, a jeśli tak, to wielkości lepkości przy niskim ścinaniu (zerowym ścinaniu) jest test pełzania. Test ten polega na przyłożeniu stałego naprężenia przez dłuższy czas i monitorowaniu wynikowego odkształcenia lub zgodności (odkształcenie / naprężenie) w funkcji czasu.
Jak pokazano na rysunku 1, czysto lepki materiał będzie wykazywał stały wzrost podatności w czasie wskazujący na przepływ, tj. lepkość w stanie ustalonym. W przeciwieństwie do tego, ciało stałe wykaże zerowy gradient wskazujący na reakcję sprężystą.
W przypadku materiałów lepkosprężystych reakcja będzie kombinacją efektów lepkości i sprężystości, jak pokazano na rysunku 2, przy czym reakcja w długich czasach wskazuje, czy ma granicę plastyczności (sprężystość), czy reakcję lepkościową w stanie ustalonym (lepkość). Jeśli materiał wykazuje reakcję lepkościową w stanie ustalonym, wówczas lepkość przy zerowym ścinaniu jest po prostu określona przez odwrotny gradient wykresu zgodności w funkcji czasu.
Jeśli znany jest średni rozmiar cząstek, gęstość i ułamek objętościowy fazy rozproszonej, a lepkość fazy ciągłej przy zerowym ścinaniu jest określona, wówczas prędkość (V) fazy rozproszonej można oszacować za pomocą następującej modyfikacji równania Stokesa:
a = promień cząstki (kula)
Δρ = różnica gęstości między cząstką a cieczą
η = lepkość cieczy (zerowa lepkość przy ścinaniu)
g = przyspieszenie ziemskie
φ = objętość fazy
Wartość wykładnika wynosi zazwyczaj 4,75 dla promienia >1 μm i 5,25 dla promienia <1 μm.
Potencjalnie, dyspersja może być następnie przeformułowana, aby uzyskać niską lepkość ścinania wystarczającą do zawieszenia fazy rozproszonej przez wymagany okres czasu lub alternatywnie, aby wprowadzić granicę plastyczności, która dałaby reakcję podobną do ciała stałego w długim czasie.
Podczas przeprowadzania testu pełzania ważne jest, aby zapewnić wystarczającą ilość czasu na osiągnięcie stanu ustalonego. W przeciwnym razie może zostać zgłoszona zbyt niska wartość zerowej lepkości przy ścinaniu lub w rzeczywistości zostanie przyjęte nieprawidłowe założenie, że materiał ma zerową lepkość przy ścinaniu, podczas gdy w rzeczywistości ma granicę plastyczności. Ponieważ dyspersje mogą znajdować się na półce w stanie niezakłóconym przez tygodnie lub nawet miesiące, należy to uwzględnić w każdym protokole testowym.
Niniejsza nota aplikacyjna przedstawia metodologię i dane z testów pełzania dla dwóch komercyjnych żeli pod prysznic.
Eksperymentalny
- Ocenie poddano dwa komercyjne żele pod prysznic; jeden zawierający tylko środek powierzchniowo czynny, a drugi zawierający środek powierzchniowo czynny i zagęszczacz asocjacyjny.
- 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 próbki podlegały spójnemu i kontrolowanemu protokołowi ładowania.
- Wszystkie pomiary reologiczne przeprowadzono w temperaturze 25°C, o ile nie określono inaczej.
- Kontrolowany naprężeniem pomiar amplitudy jest wykonywany w celu zmierzenia długości liniowego obszaru lepkosprężystego (Liniowy obszar lepkosprężysty (LVER)W LVER przyłożone naprężenia są niewystarczające do spowodowania strukturalnego rozpadu (plastyczności) struktury, a zatem mierzone są ważne właściwości mikrostrukturalne.LVER) i określenia odpowiedniej wartości naprężenia do wykorzystania w kolejnym teście pełzania (określenie Liniowy obszar lepkosprężysty (LVER)W LVER przyłożone naprężenia są niewystarczające do spowodowania strukturalnego rozpadu (plastyczności) struktury, a zatem mierzone są ważne właściwości mikrostrukturalne.LVER jest zautomatyzowane w oprogramowaniu rSpace, a określona wartość naprężenia jest przekazywana do następnej części sekwencji).
- Test pełzania jest wykonywany przy wstępnie określonej wartości naprężenia w Liniowy obszar lepkosprężysty (LVER)W LVER przyłożone naprężenia są niewystarczające do spowodowania strukturalnego rozpadu (plastyczności) struktury, a zatem mierzone są ważne właściwości mikrostrukturalne.LVER - z osiągnięciem stanu ustalonego jako warunku końcowego (w określonych warunkach tolerancji).
- Analiza danych jest wykonywana przy użyciu akcji "Zerowa lepkość ścinania z danych pełzania"
- Kalkulator prawa Stokesa w oprogramowaniu szacuje następnie prędkość sedymentacji cząstek na podstawie zmierzonej lepkości i zmiennych wprowadzonych przez użytkownika dla charakterystyki cząstek.
Wyniki i dyskusja
Rysunek 3 przedstawia reakcję na PełzaniePełzanie opisuje zależne od czasu i temperatury odkształcenie plastyczne pod wpływem stałej siły. Gdy stała siła jest przykładana do mieszanki gumowej, początkowe odkształcenie uzyskane w wyniku przyłożenia siły nie jest stałe. Odkształcenie będzie rosło wraz z upływem czasu.pełzanie dla dwóch żeli pod prysznic w skali logarytmicznej. Najwyraźniej oba produkty wykazują podobną początkową reakcję elastyczną, jednak istnieją różnice w opóźnionej reakcji elastycznej, na co wskazuje skala czasowa wymagana do osiągnięcia stanu ustalonego. Zakres tolerancji stanu ustalonego zastosowany w tym teście wynosił ± 1% przez 60 sekund. Najwyraźniej próbka A wykazuje zachowanie w stanie ustalonym niemal natychmiast, podczas gdy próbka B ma pewną resztkową elastyczność.
Rysunek 4 przedstawia ten sam wykres, ale przy użyciu skali liniowej. Ułatwia to rozróżnienie różnic w gradiencie zgodności w funkcji czasu plots. Ponieważ η0 jest określony przez odwrotny gradient części krzywej w stanie ustalonym, jasne jest, że próbka B będzie miała wyższą lepkość przy zerowym ścinaniu niż próbka A. Wartości te zostały automatycznie obliczone w ramach testu i stwierdzono, że wynoszą 6 Pas i 12 Pas odpowiednio dla próbki A i B. Zgodnie z równaniem 1 oznacza to, że próbka B zmniejszyłaby szybkość sedymentacji o współczynnik 2 dla zawiesin o równoważnych cząstkach i frakcjach objętościowych. To, czy te wartości lepkości są wystarczające do zapewnienia skutecznej stabilności, będzie zależeć od konkretnego rozmiaru, gęstości i objętości fazy rozproszonej, które należy określić za pomocą niezależnych technik.
Wnioski
Test pełzania jest skutecznym sposobem określania lepkości materiału przy zerowym ścinaniu i może być stosowany do oceny stabilności zawiesiny.
W tym teście wykazano, że ilość zagęszczacza asocjacyjnego small może podwoić lepkość przy zerowym ścinaniu żelu pod prysznic na bazie środków powierzchniowo czynnych i zmniejszyć szybkość sedymentacji dwukrotnie (dla zawiesin o równoważnych cząstkach i ułamkach objętościowych).
1Należypamiętać, że można również zastosować geometrię płyty równoległej lub geometrię cylindryczną. W przypadku tych testów zaleca się również stosowanie pułapki rozpuszczalnika, ponieważ parowanie rozpuszczalnika (np. wody) wokół krawędzi układu pomiarowego może unieważnić test, szczególnie podczas pracy w wyższych temperaturach.