Wprowadzenie
Od przezroczystego do czarnego, w tym wszystkie kolory tęczy, rynek żeli do paznokci (tych, które utwardzają) i lakierów do paznokci (tych, które wysychają na powietrzu) oferuje szeroką gamę produktów. Nawet jeśli pierwszym selectjonowym kryterium jest często estetyka, konsument chce również produktu, który jest praktyczny w aplikacji, dając pożądane wykończenie i wydajność. W tym celu idealny żel lub lakier do paznokci powinien być stosunkowo płynny, aby można go było łatwo nakładać pędzelkiem, ale bez wypływania poza paznokieć. Czas schnięcia lub utwardzania powinien być jak najkrótszy i prowadzić do uzyskania gładkiej powierzchni zapewniającej nieskazitelny wygląd. Wreszcie, pożądane jest również, aby manicure był trwały, ale nie był zbyt trudny do usunięcia.
Niektóre rodzaje żeli do paznokci wymagają lampy UV do utwardzania. Produkty te zawierają fotoinicjator, który zainicjuje reakcję utwardzania, gdy tylko żel wejdzie w kontakt z odpowiednimi długościami fal emitowanymi przez lampę.
Czas naświetlania, długość fali i intensywność lampy mają ogromne znaczenie dla prawidłowego utwardzenia żelu do paznokci.
Eksperymentalny
Utwardzanie UV trzech żeli do paznokci zostało scharakteryzowane za pomocą dwóch różnych metod:
- Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC): wykorzystana do uzyskania informacji o szybkości i czasie utwardzania.
- Reometria rotacyjna w celu scharakteryzowania zmiany modułu żelu do paznokci podczas ekspozycji na promieniowanie UV.
Kolory próbek były czerwone, czarne i przezroczyste. Przezroczysta próbka zawierała zawieszone brokaty.
Tabela 1 podsumowuje warunki, w których testowano trzy różne próbki.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| DSC | Urządzenie | DSC 300 Caliris® z modułem H |
|---|---|---|
| Masa próbki | 3.0 mg | |
| Tygiel | Concavus®® (aluminium, otwarty) | |
| Temperatura | 30°C (izotermiczna) | |
| Atmosfera | Azot (20 ml/min) | |
| Lampa | Omnicure® S 2000 (zakres długości fali: 320 do 500 nm) | |
| Czas ekspozycji | 180 s | |
| Reometria rotacyjna | Urządzenie | Kinexus |
| Geometria | PP8 (płyta/płytka, średnica: 8 mm) | |
| Szczelina | 250 μm | |
| Temperatura | 25°C | |
| Atmosfera | Otoczenie (powietrze) | |
| Lampa | Omnicure® S 2000 (zakres długości fali: 320 do 500 nm) | |
| Czas ekspozycji | 30 s |
DSC - zasada działania
W oparciu o normę ISO 11357, DSC z przepływem ciepła jest techniką, w której różnica między natężeniem przepływu ciepła do tygla próbki i tygla odniesienia jest określana jako funkcja temperatury i/lub czasu. Podczas takiego pomiaru próbka i odniesienie są poddawane temu samemu kontrolowanemu programowi temperatury/czasu i atmosferze.
Reometria rotacyjna (pomiar oscylacji) - zasada działania
Górna płyta oscyluje z określoną częstotliwością f [Hz] (lub ω [rad/s]) i amplitudą [%] (lub naprężeniem ścinającym γ [%]), γ = γo + sin (ωt).
Naprężenie ścinające σ [Pa] wymagane dla tej oscylacji jest określane: σ = σ0 + sin(ωt+δ).
Wynik: Określono właściwości lepkosprężyste próbki, w szczególności jej złożoną sztywność G* (|G*| w [Pa]).
Część "w fazie" G* jest związana z właściwościami sprężystymi (→ G', moduł ścinania magazynowania), część "poza fazą" z właściwościami lepkimi (→ G'', moduł ścinania strat) materiału lepkosprężystego.
Analiza termiczna i szybkość utwardzania
Efekty utwardzania można zaobserwować na krzywych DSC w postaci efektów egzotermicznych. Reakcja utwardzania może być zainicjowana zarówno przez ciepło, jak i przez światło UV, w przypadku korzystania z DSC wyposażonego w lampę UV (foto-DSC).
Rysunek 1 przedstawia krzywe foto-DSC uzyskane podczas ekspozycji UV trzech żeli do paznokci. Obszar piku reprezentuje entalpię utwardzania. Im wyższa wartość, tym więcej energii jest uwalniane podczas reakcji.
Przezroczysta próbka zawierająca brokaty ma pik utwardzania z najwyższą entalpią reakcji (211 J/g). Nie oznacza to, że potrzebuje ona więcej czasu niż pozostałe dwie do zakończenia reakcji. W rzeczywistości jest to również ta, która reaguje najszybciej, o czym świadczy nachylenie krzywej przed osiągnięciem maksimum piku: Jest ono najbardziej strome dla tego materiału. Rysunek 2, który przedstawia współczynnik konwersji dla wszystkich trzech próbek, ilustruje ten wynik. Im wyższa maksymalna wartość szczytowa i bardziej strome nachylenie przed maksymalną wartością szczytową, tym szybszy współczynnik konwersji. W związku z tym Utwardzanie (reakcje sieciowania)W dosłownym tłumaczeniu termin "sieciowanie" oznacza "tworzenie sieci". W kontekście chemicznym stosuje się go do reakcji, w których cząsteczki są łączone ze sobą poprzez wprowadzenie wiązań kowalencyjnych i tworzenie trójwymiarowych sieci. utwardzanie jest najszybsze w przypadku przezroczystej próbki z połyskiem (maksimum szczytowe osiągnięte już po 11,5 s po ekspozycji na światło UV i związane z najwyższym współczynnikiem konwersji wynoszącym 7,0%/s).
Natomiast czarna próbka wykazuje odwrotne zachowanie. Reakcja jest najwolniejsza (bardziej stopniowe nachylenie krzywej przed maksimum, prowadzące do krzywej szybkości konwersji z maksimum 3,8%/s przy 12,3 s) i wiąże się z najniższym uwalnianiem energii (127 J/g).
Czerwony żel do paznokci wykazuje zachowanie utwardzania pomiędzy pozostałymi dwoma, zarówno dla prędkości reakcji, jak i entalpii utwardzania.
Rysunek 3 przedstawia krzywe modułu zespolonego dla wszystkich trzech próbek. Przed utwardzeniem wszystkie próbki mają podobną sztywność 70-80 Pa. Znaczący wzrost modułu wskazuje na rozpoczęcie utwardzania. Podobnie jak w przypadku DSC, nachylenie krzywej jest związane z prędkością reakcji. Wyniki korelują z tymi uzyskanymi za pomocą DSC: przezroczysty żel do paznokci z połyskiem utwardza się najszybciej, a czarna próbka utwardza się najwolniej z trzech próbek.
Próbki różnią się również końcowym modułem sprężystości. Moduł przezroczystego żelu z połyskiem wzrasta o 6 dekad podczas utwardzania, w porównaniu do mniej niż 4 dekad dla czarnego żelu. Oznacza to, że przezroczysty żel wykazuje najwyższą sztywność po utwardzeniu.
Dodatkowo, rysunek 4 pokazuje krzywe G', G'' i δ podczas procesu utwardzania w świetle UV czarnej próbki. Na początku pomiaru lepki moduł ścinania (G", niebieski) jest wyższy niż sprężysty moduł ścinania (G', czerwony). Kąt fazowy jest wysoki (ponad 80°). Oznacza to, że w tych warunkach pomiarowych, przed utwardzeniem, żel do paznokci zachowuje się prawie jak idealna lepka ciecz o bardzo słabych właściwościach sprężystych.
Reakcja utwardzania prowadzi do wzrostu zarówno G', jak i G''. Krzyżują się one 7 sekund po ekspozycji na promieniowanie UV. W praktyce skrzyżowanie oznacza, że od tego momentu sieć zbudowana w wyniku utwardzania jest wystarczająco silna, aby zapobiec przepływowi materiału w skali czasowej odpowiadającej 1 Hz. Pod koniec pomiaru krzywe G' i G" nadal rosną, nawet jeśli wzrost ten nie jest znaczący. Ekspozycja na światło UV zainicjowała proces utwardzania, który może być kontynuowany pomimo wyłączenia lampy.
Kąt fazowy
Kąt fazowy δ (δ = G''/G'') jest względną miarą lepkich i elastycznych właściwości materiału. Waha się od 0° dla materiału w pełni elastycznego do 90° dla materiału w pełni lepkiego.
Czy wysoka prędkość utwardzania sprawia, że próbka jest lepsza?
Szybsze Utwardzanie (reakcje sieciowania)W dosłownym tłumaczeniu termin "sieciowanie" oznacza "tworzenie sieci". W kontekście chemicznym stosuje się go do reakcji, w których cząsteczki są łączone ze sobą poprzez wprowadzenie wiązań kowalencyjnych i tworzenie trójwymiarowych sieci. utwardzanie jest korzystne dla konsumenta. Jednak ostateczne właściwości manicure po aplikacji są oczywiście również ważne. Pomiar amplitudy po utwardzeniu pomaga nam przewidzieć zachowanie żeli po utwardzeniu, dostarczając informacji o ich wewnętrznej strukturze.
W tym celu na rysunku 5 porównano obszar liniowo-sprężysty dwóch skrajnych próbek (przezroczystej z połyskiem i czarnej).
Płaszczyzna Liniowy obszar lepkosprężysty (LVER)W LVER przyłożone naprężenia są niewystarczające do spowodowania strukturalnego rozpadu (plastyczności) struktury, a zatem mierzone są ważne właściwości mikrostrukturalne.LVER czarnego żelu do paznokci jest szersza i ma niższy moduł niż w przypadku przezroczystej próbki, co wskazuje, że utwardzony czarny żel jest prawdopodobnie bardziej elastyczny.
Nawet jeśli przezroczysty żel do paznokci utwardza się szybciej niż czarny, będzie również wykazywał bardziej kruche właściwości.
Liniowy obszar lepkosprężysty (LVER)W LVER przyłożone naprężenia są niewystarczające do spowodowania strukturalnego rozpadu (plastyczności) struktury, a zatem mierzone są ważne właściwości mikrostrukturalne.LVER - Liniowy obszar lepkosprężysty
- Liniowy obszar lepkosprężysty (LVER)W LVER przyłożone naprężenia są niewystarczające do spowodowania strukturalnego rozpadu (plastyczności) struktury, a zatem mierzone są ważne właściwości mikrostrukturalne.LVER to zakres amplitudy, w którym odkształcenie i naprężenie są proporcjonalne.
- 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 przyłożone naprężenia (lub odkształcenia) są niewystarczające do spowodowania strukturalnego rozpadu struktury, a tym samym mikrostruktury
Wnioski
DSC i reometria rotacyjna to dwie uzupełniające się metody charakteryzacji utwardzania żeli do paznokci.
Obie metody podkreślają szybkość utwardzania. DSC 300 Caliris® dodatkowo dostarcza informacji o energii uwalnianej podczas utwardzania, podczas gdy pomiary za pomocą Kinexus porównują właściwości różnych produktów w trakcie i po utwardzeniu.