Введение
Оценка долгосрочной стабильности дисперсии или эмульсии может быть утомительным и трудоемким процессом, однако она необходима для обеспечения соответствия продукта стандартам качества. Разработчики часто добиваются стабильности за счет комбинации эффектов: минимизации межфазного натяжения, увеличения стерического или электростатического отталкивания дисперсной фазы и/или повышения вязкости непрерывной фазы. Для разбавленных дисперсий совокупный эффект этих факторов часто отражается в вязкости при сдвиге, которая может дать представление о скорости, с которой капли будут коалесцировать и разделяться, или дисперсия будет оседать. В более концентрированных системах может произойти образование сетевой структуры за счет взаимодействия дисперсных фаз или застревания частиц и капель. В этом случае стабильность будет largeли связана с прочностью сетевой структуры, которая может быть определена по пределу текучести.
Для обеспечения стабильности предел текучести должен быть больше, чем напряжение, создаваемое дисперсной фазой под действием силы тяжести. Это можно оценить по следующему уравнению:
Существует ряд экспериментальных тестов для определения предела текучести. Один из самых быстрых и простых методов заключается в проведении развертки напряжения сдвига и определении напряжения, при котором наблюдается пик вязкости. До этого пика вязкости материал подвергается упругой деформации. Таким образом, этот пик представляет собой точку, в которой упругая структура разрушается (выходит из строя) и материал начинает течь.
Чтобы система была стабильной, предел текучести должен быть достаточным, чтобы выдержать нагрузки, создаваемые дисперсными частицами, а также дополнительные нагрузки, которые могут возникнуть, например, при транспортировке продукта.
В этом приложении представлены методология и данные для оценки стабильности двух продуктов геля для душа (средства для мытья тела) на предмет их способности суспендировать пузырьки в соответствии с требованиями продукта.
Экспериментальный
- Исследовались два коммерческих геля для душа: один содержал только ПАВ, а другой - ПАВ и ассоциативный загуститель.
- Последний продукт был специально разработан для того, чтобы суспендировать пузырьки во флаконе, пока продукт находится на полке (примечание - чтобы исключить влияние пузырьков на реологическое поведение, пузырьки в этом образце были удалены центрифугированием перед тестированием).
- Калькулятор напряжения частиц использовался в программе rSpace для расчета напряжения, накладываемого дисперсной частицей на окружающую среду medium, при этом свойства частиц вводились пользователем (см. уравнение 1).
- 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 того, чтобы гарантировать, что оба образца подвергались согласованному и контролируемому протоколу загрузки.
- Все реологические измерения проводились при 25°C.
- Выполнялась рампа напряжения сдвига, и данные анализировались с помощью пикового анализа для определения предела текучести.
- Величина напряжения текучести продукта сравнивалась с напряжением, рассчитанным на основе свойств дисперсных частиц, для оценки долгосрочной стабильности системы.
Результаты и обсуждение
На рисунке 1 показаны кривые зависимости вязкости от напряжения для двух образцов геля для душа в испытании на темп напряжения. Данные для бодяги 2 показывают четкий пик вязкости в испытании на темп напряжения, в то время как данные для бодяги 1 относительно ровные. Это означает, что средство для мытья тела 2 демонстрирует деформационное упрочнение, связанное с пределом текучести, в то время как средство для мытья тела 1 ведет себя как жидкость с нулевой вязкостью при сдвиге.
В некоторых случаях вязкоупругие жидкости могут демонстрировать небольшой пик вязкости, даже если они не обладают истинным пределом текучести. В этом случае для подтверждения наличия вязкости с нулевым пределом текучести может потребоваться осмотрительность пользователя или альтернативное подтверждение с помощью альтернативного теста, например, теста на ползучесть или теста на скорость сдвига2.
Измеренный предел текучести для Bodywash 2 составил 4 Па.
Используя уравнение 1, можно предсказать, что напряжение, создаваемое воздушным пузырьком диаметром 100 мкм, составит примерно 0,65 Па, следовательно, напряжение текучести 4 Па должно быть достаточным для приостановки пузырьковой фазы, хотя необходимо учитывать дополнительные напряжения, возникающие при транспортировке, и потенциальное снижение прочности сети из-за повышения температуры.
Поскольку Bodywash 1 не имеет предела текучести, для оценки стабильности необходимо точное значение нулевой вязкости при сдвиге, например, анализ теста на ползучесть. Данные этого испытания показали, что нулевая вязкость при сдвиге равна 8 Па, и на основании этого показателя для пузырька размером 100 мкм была предсказана скорость подъема пузырька примерно 6 см в день. Это явно неприемлемо для поддержания долгосрочной стабильности дисперсной системы, и для обеспечения требуемой долгосрочной стабильности и срока годности продукта с пузырьковой взвесью потребуется введение предела текучести.
Заключение
Два геля для душа были сравнены с помощью испытания на предел текучести. Было показано, что средство для мытья тела 2, содержащее ассоциативный загуститель, имеет предел текучести, способный удерживать пузырьки газа. Средство для мытья тела 1, не содержащее дополнительного загустителя, имело вязкость при нулевом сдвиге, недостаточную для обеспечения долгосрочной стабильности. Таким образом, тест предлагает быстрый и удобный способ прогнозирования стабильности суспензии при заданном размере и плотности частиц.
Обратите внимание...
можно также использовать геометрию параллельных пластин, причем такая геометрия предпочтительна для дисперсий и эмульсий с размером частиц large. Для таких типов материалов также может потребоваться использование зубчатой или шероховатой геометрии, чтобы избежать артефактов, связанных с проскальзыванием на поверхности геометрии.