Introducere
Faptul că stabilitatea pe termen lung a unei emulsii sau suspensii este guvernată de o vâscozitate la forfecare zero sau de o Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiune de curgere depinde de microstructura acesteia. În plus, este importantă starea acestei microstructuri pe termen lung, deoarece aceasta este, în cele din urmă, ceea ce va întâlni orice fază dispersată în timpul depozitării prelungite.
Există o serie de teste pentru evaluarea modificărilor proprietăților reologice în funcție de timp. Un test de fluaj este ideal pentru această sarcină, deoarece analizează răspunsul la o tensiune aplicată direct în funcție de timp. Un alt test util este o scanare a frecvenței de oscilație, în care proba este oscilată consecutiv la un număr de frecvențe diferite. Deoarece frecvența este inversul timpului, frecvențele înalte corespund unor scări de timp scurte, iar frecvențele joase unor scări de timp lungi. Trebuie remarcat faptul că scara de timp corespunde frecvenței unghiulare (ω), spre deosebire de frecvența ciclurilor în încercarea prin oscilație.
Prin evaluarea modificărilor modulului elastic (sau de stocare), G'; a modulului vâscos (sau de pierdere), G"; și a unghiului de fază, δ, pe o gamă limitată de frecvențe, este posibil să se determine dacă un material este susceptibil de a avea o Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiune de curgere sau o vâscozitate de forfecare zero și, de asemenea, potențiale probleme de stabilitate. În figura 1 sunt prezentate exemple de răspunsuri la frecvență comune pentru diverse materiale. Dacă G' depășește G" la frecvențe joase, de exemplu <0,01 Hz, atunci se poate deduce că materialul are o structură de rețea care trebuie să se rupă înainte de începerea curgerii, adică are o Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiune de curgere. Dacă G" depășește G' la frecvențe joase, acest lucru indică faptul că se poate produce o curgere macroscopică, iar stabilitatea este probabil să fie guvernată de vâscozitatea de forfecare zero sau de vâscozitatea corespunzătoare tensiunii impuse de faza dispersată.
Deoarece este dificil să se acceseze aceste frecvențe foarte joase pe un reometru din cauza timpilor lungi de testare implicați, este util să se evalueze forma generală a curbelor. Deoarece unghiul de fază, δ, și Modul de elasticitateModulul complex (componenta elastică), modulul de stocare sau G', este partea "reală" a modulului complex general al probei. Această componentă elastică indică răspunsul asemănător solidului, sau în fază, al probei măsurate. modulul elastic, G', sunt indicatori generali ai caracteristicilor structurale, atunci magnitudinea și direcția variației odată cu scăderea frecvenței pot indica natura răspunsului materialului la timpi mai lungi.
- Dacă G' este în mare măsură independent de frecvență, iar unghiul de fază rămâne constant sau scade odată cu reducerea frecvenței, ca în cazul unei structuri solide viscoelastice sau a unui gel, atunci putem deduce că este mai probabil ca materialul să mențină structura rețelei și va fi mai stabil.
- Dacă unghiul de fază, δ, crește și G' scade odată cu scăderea frecvenței, atunci acest lucru indică faptul că elementele elastice ale structurii (rețeaua) se relaxează și devin asemănătoare lichidului, ceea ce poate duce la scăderea stabilității.
Aceste observații ar trebui să se reflecte, de asemenea, în vâscozitatea complexă, η*, care pentru fluide va arăta apariția unui platou de vâscozitate de forfecare zero spre frecvențe mai joase, în timp ce pentru solidele care posedă o structură de rețea ar trebui să se observe o valoare tot mai mare a lui η*, după cum se arată în figura 2.
Pentru utilizarea practică a acestei tehnici, este important să se evalueze forma curbelor în condiții adecvate. O frecvență minimă de 0,01 Hz poate fi suficientă pentru a evalua potențialul de stabilitate, dar dacă se ajunge la o mărime a frecvenței mai mică decât aceasta, deși consumă mai mult timp, se va obține o imagine mai precisă a tendințelor la joasă frecvență. Temperatura de testare este, de asemenea, importantă, deoarece relaxarea structurală va avea loc, în general, la intervale de timp mai scurte odată cu creșterea temperaturii, din cauza unei rate mai rapide de rearanjare structurală. Prin urmare, testarea la temperaturi mai ridicate poate reproduce mai bine condițiile reale de depozitare și poate facilita identificarea probelor cu probleme. Cu toate acestea, atunci când se lucrează la temperaturi mai ridicate pe perioade lungi de timp, este important să se prevină evaporarea probelor.
Această notă de aplicare prezintă metodologia și datele de la testarea frecvenței de oscilație pentru o serie de geluri de duș și capacitatea acestora de a suspenda bulele dispersate în formulări.
Experimental
- O serie de geluri de duș conținând diferite niveluri ale unui polimer de îngroșare asociativ (variind de la 0% până la 8%) au fost evaluate pentru capacitatea lor de a suspenda bule la temperatura camerei pentru perioade prelungite.
- Măsurătorile cu reometru rotațional au fost efectuate utilizând un reometru Kinexus cu un cartuș cu placă Peltier și un sistem de măsurare cu con și placă1 și utilizând secvențe standard preconfigurate în software-ul rSpace.
- A fost utilizată o secvență de încărcare standard pentru a se asigura că probele au fost supuse unui protocol de încărcare consecvent și controlabil. ∙ Toate măsurătorile reologice au fost efectuate la 25°C, cu excepția cazului în care se specifică acest lucru.
- Pentru a măsura lungimea regiunii vâscoelastice liniare (Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER) și pentru a determina o valoare adecvată a tensiunii care urmează să fie utilizată în testul ulterior de baleiaj de frecvență, se efectuează o baleiere de amplitudine controlată prin deformare (determinarea Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER este automată în cadrul software-ului rSpace, iar valoarea tensiunii determinate este introdusă în următoarea parte a secvenței).
- Se efectuează o scanare de frecvență la valoarea de deformare predeterminată în cadrul Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER, între valorile implicite de 10 Hz și 0,005 Hz.
Rezultate și discuții
Figura 3 prezintă datele de scanare a frecvenței pentru gama de produse gel de duș testate. Este clar că creșterea concentrației de agent de îngroșare asociativ crește gradul de elasticitate, așa cum se evidențiază prin creșterea lui G' și scăderea unghiului de fază. Această elasticitate apare prin reticularea micelilor surfactantului, care pot forma o structură gelatinoasă la concentrațiile potrivite.
Eșantioanele cu 6% și 8% polimer asociativ au valori mai mari ale G' la frecvențe joase, ceea ce indică o mai mare extindere a reticulării, în timp ce valoarea și direcția unghiului de fază indică faptul că aceste materiale prezintă un comportament solid sau gelatinos în această gamă de frecvențe. Acest lucru este favorabil pentru stabilitate, deoarece indică probabilitatea unei tensiuni de curgere sau cel puțin a unei vâscozități ridicate la forfecare zero la frecvențe joase.
Pentru probele cu valori mai mici ale polimerului asociativ, G" este dominant, iar unghiul de fază crește odată cu scăderea frecvenței, indicând astfel relaxarea structurală și, prin urmare, un comportament de tip lichid în această gamă de frecvențe, ceea ce este mai puțin favorabil pentru stabilitate.
Acest lucru se reflectă, de asemenea, în vâscozitatea complexă, η* (a se vedea figura 4), spălătoria corporală care nu conține aditiv polimeric prezentând un platou de vâscozitate la forfecare zero (adică un comportament de tip lichid) cu o valoare de aproximativ 5 Pas. În schimb, proba cu 8% polimer asociativ prezintă un comportament de tip lege de putere în același interval, cu o vâscozitate apropiată de 1000 Pas la 0,01 Hz. Dacă aceasta din urmă ar prezenta sau nu un platou la frecvențe mai joase poate fi evaluat numai prin testarea la frecvențe mai joase (sau, alternativ, prin testare prin fluaj), dar, cu toate acestea, vâscozitatea la aceste frecvențe mai joase ar trebui să fie suficient de mare pentru a încetini sedimentarea unei faze dispersate.
Concluzie
Este posibil să se prevadă stabilitatea dispersiei prin efectuarea unui test de baleiaj de frecvență în cadrul Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER în condițiile de măsurare adecvate. Acest lucru a fost demonstrat pentru cinci geluri de duș care conțin diferite concentrații ale unui agent de îngroșare asociativ. Eșantioanele cu niveluri ridicate de polimer prezintă un comportament asemănător gelului, cu valori mai mari ale lui G' și un unghi de fază scăzut care nu crește spre frecvențe mai joase. S-a demonstrat că aceste probe sunt capabile să suspende bule pentru perioade îndelungate de timp.
Vă rugăm să rețineți ...
că poate fi utilizată și o geometrie cu plăci paralele sau o geometrie cilindrică. O geometrie sablată ar trebui luată în considerare dacă materialul este susceptibil de a prezenta efecte de alunecare a pereților. Geometriile mai mari sunt utile pentru măsurători la cupluri mici, care sunt mai susceptibile de a fi întâlnite la frecvențe mai mici. Utilizarea unei capcane de solvent este, de asemenea, recomandată pentru aceste teste, deoarece evaporarea solventului (de exemplu, apă) în jurul marginilor sistemului de măsurare poate invalida testul, în special atunci când se lucrează la temperaturi ridicate.