Inledning
Huruvida den långsiktiga stabiliteten hos en emulsion eller suspension styrs av en viskositet vid nollskjuvning eller en SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning beror på dess mikrostruktur. Dessutom är det mikrostrukturens tillstånd under långa tidsperioder som är viktigt, eftersom det i slutändan är det som en dispergerad fas kommer att möta under långvarig lagring.
Det finns ett antal tester för att utvärdera förändringar i reologiska egenskaper som en funktion av tiden. Ett kryptest är idealiskt för uppgiften eftersom det undersöker svaret på en pålagd spänning direkt som en funktion av tiden. Ett annat användbart test är en oscillationsfrekvenssvepning där provet oscilleras med ett antal olika frekvenser i följd. Eftersom frekvensen är omvänt lika med tiden motsvarar höga frekvenser korta tidsskalor och låga frekvenser långa tidsskalor. Det bör noteras att tidsskalan motsvarar vinkelfrekvensen (ω) i motsats till cykelfrekvensen vid oscillationsprovning.
Genom att utvärdera förändringar i Elastisk modulDen komplexa modulen (den elastiska komponenten), lagringsmodulen eller G', är den "verkliga" delen av provets totala komplexa modul. Den elastiska komponenten indikerar den fasta responsen, eller responsen i fas, hos det prov som mäts. elasticitetsmodul (eller lagringsmodul), G'; ViskositetsmodulDen komplexa modulen (viskösa komponenten), förlustmodulen eller G'', är den "imaginära" delen av provets totala komplexa modul. Den viskösa komponenten indikerar det vätskeliknande, eller ur fas, svaret hos det prov som mäts. viskositetsmodul (eller ViskositetsmodulDen komplexa modulen (viskösa komponenten), förlustmodulen eller G'', är den "imaginära" delen av provets totala komplexa modul. Den viskösa komponenten indikerar det vätskeliknande, eller ur fas, svaret hos det prov som mäts. förlustmodul), G"; och fasvinkel, δ, över ett begränsat frekvensområde, är det möjligt att avgöra om ett material sannolikt har en SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning eller en viskositet med nollskjuvning och även potentiella stabilitetsproblem. Exempel på vanliga frekvenssvar för olika material visas i figur 1. Om G' överstiger G" vid låga frekvenser, t.ex. <0,01 Hz, kan man dra slutsatsen att materialet har en nätverksstruktur som måste brytas ned innan flödet kan börja, dvs. att det har en SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning. Om G" överstiger G' vid låga frekvenser indikerar detta att makroskopiskt flöde kan uppstå, och stabiliteten kommer då sannolikt att styras av viskositeten vid nollskjuvning eller viskositeten som motsvarar den spänning som den dispergerade fasen ger upphov till.
Eftersom det är svårt att komma åt dessa mycket låga frekvenser på en reometer på grund av de långa testtider som krävs, är det lämpligt att utvärdera kurvornas allmänna form. Eftersom fasvinkeln, δ, och elasticitetsmodulen, G', är allmänna indikatorer på strukturella egenskaper, kan storleken och riktningen på förändringen med minskande frekvens indikera materialets respons vid längre tider.
- Om G' i stort sett är oberoende av frekvensen och fasvinkeln antingen förblir konstant eller minskar med minskande frekvens, som i en viskoelastisk solid eller gelstruktur, kan vi dra slutsatsen att det är mer sannolikt att materialet bibehåller nätverksstrukturen och att det blir mer stabilt.
- Om fasvinkeln δ ökar och G' minskar med sjunkande frekvens indikerar detta att de elastiska elementen i strukturen (nätverket) slappnar av och blir vätskeliknande, vilket sannolikt innebär lägre stabilitet.
Dessa observationer bör också återspeglas i den komplexa viskositeten, η*, som för vätskor kommer att visa början på en nollskjuvningsviskositetsplatå mot lägre frekvenser, medan för fasta ämnen som har en nätverksstruktur ett ständigt ökande värde på η* bör observeras, vilket visas i figur 2.
För praktisk användning av denna teknik är det viktigt att utvärdera kurvornas form under lämpliga förhållanden. En minimifrekvens på 0,01 Hz kan vara tillräcklig för att utvärdera stabilitetspotentialen, men om man går till en lägre frekvensstorlek än så, även om det är mer tidskrävande, får man en mer exakt bild av lågfrekvenstrender. Testtemperaturen är också viktig eftersom strukturell AvslappningNär en gummiblandning utsätts för en konstant töjning är den kraft som krävs för att upprätthålla töjningen inte konstant utan minskar med tiden; detta beteende kallas spänningsrelaxation. Processen som orsakar spänningsrelaxering kan vara fysikalisk eller kemisk och under normala förhållanden sker båda samtidigt. avslappning i allmänhet sker på kortare tidsskalor med ökande temperaturer på grund av en snabbare strukturomvandlingshastighet. Därför kan testning vid högre temperaturer bättre efterlikna verkliga lagringsförhållanden och potentiellt göra det lättare att välja ut problemprover. Det är dock viktigt att förhindra att provet avdunstar när man arbetar vid högre temperaturer under långa tidsperioder.
Denna applikationsnot visar metodik och data från testning av svängningsfrekvens för en serie duschgeler och deras förmåga att suspendera dispergerade bubblor i formuleringarna.
Experimentell
- En serie duschgeler som innehöll olika nivåer av en associativ förtjockande polymer (från 0% upp till 8%) utvärderades med avseende på deras förmåga att suspendera bubblor vid rumstemperatur under längre perioder.
- Mätningar med rotationsreometer gjordes med en Kinexus-reometer med en Peltier-plattkassett och ett kon- och plattmätningssystem1 och med hjälp av förkonfigurerade standardsekvenser i programvaran rSpace.
- En standardiserad laddningssekvens användes för att säkerställa att proverna genomgick ett konsekvent och kontrollerbart laddningsprotokoll. ∙ Alla reologimätningar utfördes vid 25°C om inte annat anges särskilt.
- Ett töjningsstyrt amplitud-svep utförs för att mäta längden på den linjära viskoelastiska regionen (Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER) och för att bestämma ett lämpligt töjningsvärde som ska användas i det efterföljande frekvenssveptestet (Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER-bestämningen är automatiserad i programvaran rSpace och det bestämda töjningsvärdet matas in i nästa del av sekvensen).
- En frekvenssvepning utförs vid det förutbestämda töjningsvärdet i Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER, mellan standardvärdena 10 Hz och 0,005 Hz.
Resultat och diskussion
Figur 3 visar frekvenssvepningsdata för de olika duschgelprodukter som testats. Det är tydligt att en ökad koncentration av associativa förtjockningsmedel ökar graden av elasticitet, vilket framgår av ökningen av G' och minskningen av fasvinkeln. Denna elasticitet uppstår genom tvärbindning av de ytaktiva micellerna, som kan bilda en gelliknande struktur vid rätt koncentrationer.
Prover med 6% och 8% associativ polymer har högre värden på G' vid de låga frekvenserna, vilket indikerar en större grad av tvärbindning, medan värdet och riktningen på fasvinkeln indikerar att dessa material uppvisar ett fast eller gelliknande beteende i detta frekvensområde. Detta är gynnsamt för stabiliteten eftersom det indikerar sannolikheten för en SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning eller åtminstone en hög viskositet vid nollskjuvning vid lägre frekvenser.
För proverna med lägre värden av associativ polymer är G" dominerande och fasvinkeln ökar med minskande frekvens, vilket indikerar strukturell relaxation och därmed vätskeliknande beteende i detta frekvensområde, vilket är mindre gynnsamt för stabiliteten.
Detta återspeglas också i komplex viskositet, η* (se figur 4), där kroppstvätten som inte innehåller någon polymertillsats uppvisar en viskositetsplatå med noll skjuvning (dvs. vätskeliknande beteende) med ett värde på ca 5 Pas. Omvänt uppvisar provet med 8% associativ polymer ett power law-beteende över samma intervall med en viskositet på nära 1000 Pas vid 0,01 Hz. Huruvida det senare provet skulle uppvisa en platå vid lägre frekvenser kan endast utvärderas genom testning vid lägre frekvenser (eller alternativt krypningstestning), men viskositeten vid dessa lägre frekvenser bör ändå vara tillräckligt hög för att bromsa sedimentationen av en dispergerad fas.
Slutsats
Det är möjligt att förutsäga dispersionsstabiliteten genom att utföra ett frekvenssveptest inom Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER under lämpliga mätförhållanden. Detta har visats för fem duschgelprodukter som innehåller olika koncentrationer av ett associativt förtjockningsmedel. Prover med höga halter av polymer uppvisar ett gelliknande beteende med högre värden på G' och en låg fasvinkel som inte ökar mot lägre frekvenser. Dessa prover har visat sig kunna hålla kvar bubblor under längre tidsperioder.
Vänligen notera...
att en parallell plattgeometri eller en cylindrisk geometri också kan användas. En sandblästrad geometri bör övervägas om materialet sannolikt kommer att uppvisa väggglidningseffekter. Större geometrier är användbara för mätningar vid låga vridmoment, som är mer sannolika vid lägre frekvenser. Användning av en lösningsmedelsfälla rekommenderas också för dessa tester eftersom avdunstning av lösningsmedel (t.ex. vatten) runt mätsystemets kanter kan ogiltigförklara testet, särskilt vid arbete i högre temperaturer.