Bestämning av avkastningsspänningen hos komplexa vätskor genom spänningstillväxttest på en rotationsreometer - Body Lotion

Inledning

Många komplexa vätskor, t.ex. nätverksbildande polymerer, mesofaser av ytaktiva ämnen och koncentrerade emulsioner, flyter inte förrän den pålagda spänningen överstiger ett visst kritiskt värde, den s.k. flytspänningen. Material som uppvisar detta beteende sägs uppvisa ett flytbeteende. Flytspänningen definieras därför som den spänning som måste appliceras på provet innan det börjar flyta. Under flytspänningen kommer provet att deformeras elastiskt (som att sträcka en fjäder), över flytspänningen kommer provet att flyta som en vätska.

De flesta vätskor med 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 kan betraktas som ett strukturellt skelett som sträcker sig över hela systemets volym. Skelettets styrka styrs av strukturen hos den dispergerade fasen och dess interaktioner. Normalt har den kontinuerliga fasen låg viskositet, men höga volymfraktioner av en dispergerad fas kan öka viskositeten tusen gånger och framkalla ett solidliknande beteende i vila.

När en komplex vätska som uppvisar flytbeteende skjuvas vid låga skjuvhastigheter, i intervallet mellan 0,01 - 0,1 ^s-1 och under dess kritiska töjning, utsätts systemet för arbetshärdning. Detta är karakteristiskt för ett solidliknande beteende och beror på att elastiska element sträcks i skjuvfältet. När sådana elastiska element närmar sig sin kritiska töjning börjar strukturen att brytas ned, vilket orsakar skjuvtunning (töjningsmjukning) och efterföljande flöde. Detta sammanfaller med ett toppvärde i skjuvspänningen, vilket är lika med flytspänningen. Detta visas i figur 1.

Flytspänningen definieras som den spänning som måste appliceras på provet innan det börjar flyta.

Vanligtvis används en låg skjuvhastighet i dessa tester för att ta hänsyn till materialets tidsrelaxerande egenskaper, men olika skjuvhastigheter kan användas beroende på vilken applikation som är av intresse. Snabba processer som dispensering sker på korta tidsskalor, vilket motsvarar högre skjuvhastigheter, medan stabilitet mot sedimentering/krämning sker under längre tid och utvärderas bättre vid lägre skjuvhastigheter. Eftersom flytspänningen i allmänhet är en tidsberoende egenskap kan de uppmätta värdena skilja sig åt. En skjuvhastighet på 0,01 ^s-1 används dock vanligen i ett sådant test och har visat sig ge god överensstämmelse med andra metoder för 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, t.ex. krypprovning [1].

Denna applikationsnot visar metodik och data från ett spänningstillväxtprov för en kroppslotion.

Experimentell

• En kommersiell body lotion-produkt valdes för analys.
• Mätningarna med rotationsreometer gjordes med en Kinexus-reometer med Peltier-plattkassett och ett mätsystem med 40 mm grova parallella plattor (för att undvika att provet glider på geometriytorna^{)2 ,} och med hjälp av förkonfigurerade standardsekvenser i programvaran rSpace.
• Skjuvläget för parallellplattornas geometri sattes till 100 % i programvaran rSpace (med hjälp av geometridatabasen) för att mäta spänningen vid början av sträckningen.
• En standardiserad belastningssekvens användes för att säkerställa att provet utsattes för ett konsekvent och kontrollerbart belastningsprotokoll.
• Ett test med en enda skjuvhastighet utfördes med en skjuvhastighet på 0,01 ^s-1, och spänningsutvecklingen som en funktion av tiden mättes.
• Data analyserades med hjälp av en toppanalys för att bestämma flytspänningen.
• Alla reologimätningar utfördes vid 25°C.

Resultat och diskussion

Figur 2 visar en kurva över spänning och tid för provet av bodylotion. Spänningen byggs ursprungligen upp när töjningen ökar och når ett toppvärde vid den kritiska töjningen, som är lika med flytspänningen.

Tabell 1: Toppanalysresultat från spänningsutvecklingskurva för prov av kroppslotion

Detta toppvärde bestäms automatiskt från en toppanalys och rapporteras tillbaka i programvaran rSpace i tabellform enligt tabell 1. Det rapporterade flytspänningsvärdet för denna bodylotion är 75,4 Pa och detta värde uppmättes vid en töjning på ca 0,5 (50%).

Som nämndes i inledningen kan den uppmätta flytspänningen för vissa material vara skjuvhastighetsberoende, särskilt när betydande strukturell relaxation sker med tiden. I dessa fall kommer en högre 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.sträckgräns att observeras för högre skjuvhastigheter eftersom det finns mindre tid för strukturen att slappna av.

Till exempel gav samma spänningstillväxttest som utfördes på samma bodylotion med en skjuvhastighet på 0,1 ^s-1 istället för 0,01 ^s-1 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.sträckgräns på 82 Pa.

Slutsats

Spänningstillväxt är ett snabbt och exakt test för att bestämma ett materials 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. Det är dock viktigt att använda en konstant skjuvhastighet för jämförande tester eftersom olika skjuvhastigheter kan ge olika resultat beroende på relaxationsbeteendet hos det material som testas.

Vänligen notera...

att provningen kan utföras med kon- och plattgeometri eller parallell plattgeometri - där den senare är att föredra för dispersioner och emulsioner med large partikelstorlekar. Sådana materialtyper kan också kräva användning av tandade eller grova geometrier för att undvika artefakter som beror på glidning vid geometriytan.