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 på långa tidsskalor som är viktigt, eftersom det i slutändan är detta som alla dispergerade faser kommer att stöta på under långvarig lagring. Ett sätt att fastställa förekomsten av, och i så fall storleken på, denna viskositet vid låg skjuvning (nollskjuvning) är genom ett kryptest. Detta test innebär att man applicerar en konstant spänning under en längre tid och övervakar den resulterande töjningen eller följsamheten (töjning/spänning) som en funktion av tiden.
Som framgår av figur 1 kommer ett rent visköst material att uppvisa en konstant ökning av följsamheten med tiden, vilket tyder på flöde, dvs. viskös respons i steady state. I motsats till detta kommer ett fast material att uppvisa en nollgradient, vilket indikerar en elastisk respons.
För viskoelastiska material blir svaret en kombination av viskösa och elastiska effekter enligt figur 2, där svaret vid långa tider indikerar om materialet 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 (elastiskt) eller ett visköst svar i stationärt tillstånd (visköst). Om materialet uppvisar ett visköst svar i stationärt tillstånd, ges viskositeten vid nollskjuvning helt enkelt av den inversa gradienten i diagrammet för följsamhet mot tid.
Om den genomsnittliga partikelstorleken, densiteten och volymfraktionen för den dispergerade fasen är kända och den kontinuerliga fasens viskositet vid nollskjuvning är bestämd, kan den dispergerade fasens hastighet (V) uppskattas med hjälp av följande modifiering av Stokes ekvation:
a = partikelns radie (sfär)
Δρ = densitetsskillnaden mellan partikel och vätska
η = vätskans viskositet (nollskjuvningsviskositet)
g = tyngdaccelerationen
φ = fasvolymen
Exponentens värde är i allmänhet 4,75 för en radie >1 μm och 5,25 för en radie <1 μm.
Eventuellt kan dispersionen sedan omformuleras för att få en viskositet med låg skjuvning som är tillräcklig för att suspendera den dispergerade fasen under den tid som krävs, eller alternativt för att införa 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 som ger ett solidliknande svar under långa tider.
Det är viktigt att man vid krypprovningen låter det ta tillräckligt lång tid för att uppnå steady state. Om så inte sker kan ett för lågt värde på viskositeten vid nollskjuvning rapporteras, eller så görs ett felaktigt antagande att materialet har en viskositet vid nollskjuvning när det i själva verket 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. Eftersom dispersioner kan ligga ostörda på en hylla i veckor eller till och med månader i taget måste detta beaktas i alla testprotokoll.
Denna applikationsnot visar metodik och data från kryptestning för två kommersiella duschgelprodukter.
Experimentell
- Två kommersiella duschgelprodukter utvärderades; den ena innehöll endast ytaktivt ämne och den andra innehöll ytaktivt ämne och ett associativt förtjockningsmedel.
- Rotationsreometermätningarna utfördes med en Kinexus-reometer med 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 spänningsstyrt amplitudutslag 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 spänningsvärde som ska användas i det efterföljande krypningstestet (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 spänningsvärdet matas in i nästa del av sekvensen).
- Ett krypprov utförs vid det förutbestämda spänningsvärdet 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 - med uppnåendet av steady state som slutvillkor (inom definierade toleransvillkor).
- Dataanalysen utförs med hjälp av åtgärden ´Zero shear viscosity from creep data´
- En Stokes Law-kalkylator i programvaran uppskattar sedan partiklarnas sedimentationshastighet, baserat på den uppmätta viskositeten och användarinmatade variabler för partikelegenskaperna.
Resultat och diskussion
Figur 3 visar krypresponsen för de två duschgelprodukterna på en logaritmisk skala. Det är tydligt att de två produkterna uppvisar ett liknande initialt elastiskt svar, men det finns skillnader i det fördröjda elastiska svaret, vilket indikeras av den tidsskala som krävs för att uppnå steady state. Toleransintervallet för steady state som användes i detta test var inom ± 1% under 60 sekunder. Det är tydligt att prov A uppvisar steady state-beteende nästan omedelbart, medan prov B har viss kvarvarande elasticitet.
Figur 4 visar samma diagram, men med en linjär skala. Detta gör det lättare att urskilja skillnaderna i lutningen på kurvorna för överensstämmelse mot tid. Eftersom η0 ges av den inversa lutningen på kurvans stationära del är det tydligt att prov B kommer att ha en högre viskositet vid nollskjuvning än prov A. Dessa värden beräknades automatiskt som en del av testet och visade sig vara 6 Pas och 12 Pas för prov A respektive B. Enligt ekvation 1 innebär detta att prov B skulle minska sedimenteringshastigheten med en faktor 2 för suspensioner med likvärdiga partiklar och volymfraktioner. Huruvida dessa viskositetsvärden är tillräckliga för att ge effektiv stabilitet beror på den dispergerade fasens specifika storlek, TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet och volym, vilka måste bestämmas med oberoende tekniker.
Slutsatser
Kryptestning är ett effektivt sätt att bestämma ett materials viskositet vid nollskjuvning och kan användas för att bedöma suspensionens stabilitet.
I detta test har det visats att en small mängd av ett associativt förtjockningsmedel kan fördubbla viskositeten vid nollskjuvning hos en tensidbaserad duschgel och minska sedimentationshastigheten med en faktor två (för suspensioner med likvärdiga partiklar och volymfraktioner).
1Observera att en parallellplattgeometri eller en cylindrisk geometri också kan användas. 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 vid högre temperaturer.