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 la scări de timp lungi, deoarece aceasta este, în cele din urmă, ceea ce va întâlni orice fază dispersată în timpul depozitării prelungite. O modalitate de a determina existența și, dacă este cazul, magnitudinea acestei vâscozități la forfecare redusă (forfecare zero) este testul de fluaj. Acest test presupune aplicarea unei tensiuni constante pe o perioadă prelungită de timp și monitorizarea deformării sau conformității rezultate (deformare/tensionare) în funcție de timp.
După cum se arată în figura 1, un material pur vâscos va prezenta o creștere constantă a conformității în timp, ceea ce indică o curgere, adică un răspuns vâscos în stare stabilă. În schimb, un solid va prezenta un gradient zero, indicând un răspuns elastic.
Pentru materialele vâscoelastice, răspunsul va fi o combinație de efecte vâscoase și elastice, după cum se arată în figura 2, răspunsul la momente lungi indicând dacă 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 (elastic) sau un răspuns vâscos în stare stabilă (vâscos). În cazul în care materialul prezintă un răspuns vâscos în stare stabilă, atunci vâscozitatea la forfecare zero este dată pur și simplu de gradientul invers al graficului conformității în funcție de timp.
Dacă dimensiunea medie a particulelor, densitatea și fracția volumică a fazei dispersate sunt cunoscute, iar vâscozitatea de forfecare zero a fazei continue este determinată, viteza (V) a fazei dispersate poate fi estimată utilizând următoarea modificare a ecuației Stokes:
a = raza particulei (sferă)
Δρ = diferența de DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate dintre particulă și lichid
η = vâscozitatea lichidului (vâscozitate de forfecare zero)
g = accelerația datorată gravitației
φ = volumul fazei
Valoarea exponentului este în general 4,75 pentru o rază >1 μm și 5,25 pentru o rază <1 μm.
Potențial, dispersia poate fi apoi reformulată pentru a obține o vâscozitate de forfecare scăzută, suficientă pentru a suspenda faza dispersată pentru perioada necesară sau, alternativ, pentru a introduce 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 care ar da un răspuns de tip solid pe perioade lungi.
Atunci când se efectuează un test de fluaj, este important să se acorde suficient timp pentru a se ajunge la starea de echilibru. În caz contrar, se poate raporta o valoare prea mică a vâscozității la forfecare zero sau chiar se presupune în mod incorect că materialul are o vâscozitate la forfecare zero, când de fapt 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. Deoarece dispersiile pot sta pe un raft nealterate timp de săptămâni sau chiar luni la rând, acest lucru trebuie luat în considerare în orice protocol de testare.
Această notă de aplicare prezintă metodologia și datele obținute în urma testării fluajului pentru două produse comerciale de gel de duș.
Experimental
- Au fost evaluate două geluri de duș din comerț; unul conținând numai agent tensioactiv, iar celălalt conținând agent tensioactiv și un agent de îngroșare asociativ.
- 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 - Linear ViscoElastic Region) și pentru a determina o valoare adecvată a tensiunii care urmează să fie utilizată în testul de fluaj (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 automatizată în software-ul rSpace, iar valoarea tensiunii determinate este introdusă în următoarea parte a secvenței).
- Se efectuează un test de fluaj la valoarea prestabilită a tensiunii 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 - cu atingerea stării de echilibru stabilită ca condiție finală (în condițiile de toleranță definite).
- Analiza datelor se realizează utilizând acțiunea "Zero shear viscosity from CreepFluajul descrie o deformare plastică dependentă de timp și temperatură sub acțiunea unei forțe constante. Atunci când se aplică o forță constantă unui compus de cauciuc, deformarea inițială obținută ca urmare a aplicării forței nu este fixă. Deformarea va crește cu timpul.creep data
- Un calculator al legii Stokes din software estimează apoi viteza de sedimentare a particulelor, pe baza vâscozității măsurate și a variabilelor introduse de utilizator pentru caracteristicile particulelor.
Rezultate și discuții
Figura 3 prezintă răspunsul la fluaj pentru cele două produse gel de duș pe o scară logaritmică. În mod clar, cele două produse prezintă un răspuns elastic inițial similar, însă există diferențe în ceea ce privește răspunsul elastic întârziat, indicat de intervalul de timp necesar pentru atingerea stării de echilibru. Intervalul de toleranță pentru starea de echilibru utilizat în acest test a fost de ± 1% timp de 60 de secunde. În mod clar, proba A prezintă un comportament de stare staționară aproape imediat, în timp ce proba B are o anumită elasticitate reziduală.
Figura 4 prezintă același grafic, dar folosind o scară liniară. Acest lucru face mai ușor de distins diferențele în gradientul graficelor conformității în funcție de timp. Deoarece η0 este dat de gradientul invers al porțiunii de stare stabilă a curbei, atunci este clar că proba B va avea o vâscozitate la forfecare zero mai mare decât proba A. Aceste valori au fost calculate automat în cadrul testului și s-au dovedit a fi de 6 Pas și 12 Pas pentru proba A și, respectiv, B. În conformitate cu ecuația 1, aceasta înseamnă că proba B ar reduce viteza de sedimentare cu un factor de 2 pentru suspensii de particule și fracțiuni de volum echivalente. Faptul că aceste valori ale vâscozității sunt suficiente pentru a oferi o stabilitate eficientă depinde de dimensiunea, densitatea și volumul specifice ale fazei dispersate, care trebuie determinate prin tehnici independente.
Concluzii
Testul de fluaj este un mijloc eficient de determinare a vâscozității la forfecare zero a unui material și poate fi utilizat pentru a evalua stabilitatea suspensiei.
În acest test, s-a demonstrat că o cantitate small de agent de îngroșare asociativ poate dubla vâscozitatea la forfecare zero a unui gel de duș pe bază de surfactanți și poate reduce viteza de sedimentare de două ori (pentru suspensii de particule și fracțiuni de volum echivalente).
1Vă rugăm sărețineți că poate fi utilizată și o geometrie cu plăci paralele sau o geo-metrie cilindrică. Se recomandă, de asemenea, utilizarea unei capcane de solvent 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.