Введение
Будет ли долгосрочная стабильность эмульсии или суспензии определяться вязкостью при нулевом сдвиге или пределом текучести, зависит от ее микроструктуры. Более того, важно состояние этой микроструктуры на длительных временных интервалах, поскольку именно с ней в конечном итоге сталкивается любая дисперсная фаза при длительном хранении.
Существует ряд тестов для оценки изменения реологических свойств в зависимости от времени. Испытание на ползучесть идеально подходит для этой задачи, поскольку оно рассматривает реакцию на приложенное напряжение непосредственно как функцию времени. Другим полезным испытанием является частотная развертка, при которой образец последовательно колеблется на нескольких различных частотах. Поскольку частота является обратной величиной времени, то высокие частоты соответствуют коротким временным шкалам, а низкие - длинным. Следует отметить, что временные масштабы соответствуют угловой частоте (ω), а не циклической частоте при испытании на колебания.
Оценивая изменения модуля упругости (или запаса), G'; модуля вязкости (или потери), G"; и фазового угла, δ, в ограниченном диапазоне частот, можно определить, имеет ли материал предел текучести или нулевую вязкость при сдвиге, а также потенциальные проблемы со стабильностью. Примеры типичных частотных откликов для различных материалов показаны на рис. 1. Если G' превышает G" на низких частотах, например <0,01 Гц, то можно сделать вывод, что материал имеет сетевую структуру, которая должна быть разрушена до начала течения, т. е. имеет предел текучести. Если G" превышает G' при низких частотах, это указывает на то, что макроскопическое течение может иметь место, и тогда стабильность, скорее всего, будет определяться вязкостью при нулевом сдвиге или вязкостью, соответствующей напряжению, накладываемому дисперсной фазой.
Поскольку на реометре трудно получить доступ к этим очень низким частотам из-за большого времени испытаний, полезно оценить общую форму кривых. Поскольку фазовый угол, δ, и модуль упругости, G', являются общими показателями структурных характеристик, то величина и направление изменения с уменьшением частоты могут указывать на характер реакции материала при больших временах.
- largeЕсли G' не зависит от частоты, а фазовый угол остается постоянным или уменьшается с уменьшением частоты, как в случае с вязкоупругой твердой или гелевой структурой, то можно сделать вывод, что материал с большей вероятностью сохранит сетевую структуру и будет более стабильным.
- Если фазовый угол, δ, увеличивается, а G' уменьшается с уменьшением частоты, это указывает на то, что упругие элементы структуры (сеть) релаксируют и становятся жидкоподобными, что, скорее всего, указывает на снижение стабильности.
Эти наблюдения также должны отражаться на комплексной вязкости, η*, которая для жидкостей показывает начало плато нулевой сдвиговой вязкости в сторону более низких частот, в то время как для твердых тел, обладающих сетевой структурой, наблюдается постоянно растущее значение η*, как показано на рис. 2.
Для практического использования этой методики важно оценить форму кривых в соответствующих условиях. Минимальная частота 0,01 Гц может быть достаточной для оценки потенциала стабильности, но переход к величине частоты ниже этой, хотя и более трудоемкий, даст более точное представление о низкочастотных тенденциях. Температура испытания также важна, поскольку структурная релаксация обычно происходит на более коротких временных интервалах при повышении температуры из-за более высокой скорости структурной перестройки. Поэтому испытания при более высоких температурах могут лучше воспроизводить реальные условия хранения и, возможно, облегчать отбор проблемных образцов. Однако при работе при высоких температурах в течение длительного времени важно предотвратить испарение образца.
В этом приложении представлены методология и данные тестирования частоты колебаний для серии гелей для душа, а также их способность суспендировать дисперсные пузырьки в составах.
Экспериментальный
- Серия гелей для душа, содержащих различные уровни ассоциативного загущающего полимера (от 0% до 8%), оценивалась на предмет их способности к длительному удержанию пузырьков при комнатной температуре.
- Вращательные реометрические измерения проводились с помощью реометра Kinexus с картриджем для пластин Пельтье и системой измерения конусов и пластин1, а также с использованием стандартных предварительно настроенных последовательностей в программном обеспечении rSpace.
- Стандартная последовательность загрузки использовалась для обеспечения последовательного и контролируемого протокола загрузки образцов. ∙ Все реологические измерения проводились при 25°C, если не указано особо.
- Амплитудная развертка с контролем деформации выполняется для измерения длины линейной вязкоупругой области (Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER) и определения соответствующего значения деформации для использования в последующем испытании с частотной разверткой (определение Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER автоматизировано в программном обеспечении rSpace, а определенное значение деформации передается в следующую часть последовательности).
- Частотная развертка выполняется при заранее заданном значении деформации в пределах Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER, между значениями по умолчанию 10 Гц и 0,005 Гц.
Результаты и обсуждение
На рисунке 3 представлены данные частотной развертки для ряда протестированных гелей для душа. Очевидно, что увеличение концентрации ассоциативного загустителя повышает степень эластичности, что подтверждается увеличением G' и уменьшением фазового угла. Эта эластичность возникает за счет сшивания мицелл ПАВ, которые при соответствующих концентрациях могут образовывать гелеобразную структуру.
Образцы с 6% и 8% ассоциативного полимера имеют более высокие значения G' на низких частотах, что указывает на большую степень сшивки, а величина и направление фазового угла указывают на то, что эти материалы демонстрируют твердое или гелеобразное поведение в этом диапазоне частот. Это благоприятно для стабильности, так как указывает на вероятность возникновения предела текучести или, по крайней мере, высокой вязкости при сдвиге при низких частотах.
Для образцов с более низкими значениями ассоциативного полимера преобладает G", а фазовый угол увеличивается с понижением частоты, что указывает на структурную релаксацию и, следовательно, жидкоподобное поведение в этом диапазоне частот, что менее чем благоприятно для стабильности.
Это также отражается в комплексной вязкости, η* (см. Рисунок 4), при этом мытье тела без полимерных добавок демонстрирует плато нулевой вязкости при сдвиге (т.е. жидкоподобное поведение) со значением около 5 Па. И наоборот, образец с 8% ассоциативного полимера демонстрирует поведение по закону мощности в том же диапазоне с вязкостью, близкой к 1000 Па при 0,01 Гц. Будет ли последний демонстрировать плато при более низких частотах, можно оценить только путем проведения испытаний на более низких частотах (или альтернативного испытания на ползучесть), но, тем не менее, вязкость при этих низких частотах должна быть достаточно высокой, чтобы замедлить седиментацию дисперсной фазы.
Заключение
Можно предсказать стабильность дисперсии, проведя тест частотной развертки в Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER при соответствующих условиях измерения. Это было продемонстрировано на примере пяти гелей для душа, содержащих различные концентрации ассоциативного загустителя. Образцы с высоким содержанием полимера демонстрируют гелеобразное поведение с более высокими значениями G' и низким фазовым углом, который не увеличивается в сторону более низких частот. Было показано, что эти образцы способны удерживать пузырьки в течение длительных периодов времени.
Обратите внимание ...
можно также использовать геометрию параллельной пластины или цилиндрическую геометрию. Геометрия с пескоструйной обработкой должна рассматриваться, если материал может проявить эффект пристенного скольжения. Larger геометрии полезны для измерений при низких крутящих моментах, которые чаще всего встречаются на низких частотах. Для этих испытаний также рекомендуется использовать ловушку для растворителя, поскольку испарение растворителя (например, воды) по краям измерительной системы может привести к аннулированию результатов испытания, особенно при работе при высоких температурах.