Inledning
Oscillationsmätningar, som kan utföras med Kinexus rotationsreometer, används för att karakterisera de viskoelastiska egenskaperna hos material, t.ex. mjuka fasta ämnen som geler eller pastor, eller komplexa vätskor som polymerer, emulsioner eller suspensioner. I dessa experiment appliceras en sinusformad skjuvdeformation (töjningskontrollerad) eller skjuvspänning (spänningskontrollerad) och materialets respons analyseras därefter.
De viktigaste parametrarna som erhållits är:
- Lagringsskjuvmodul (G'), som ger information om ett materials "solidliknande" beteende.
- Förlustskjuvmodul (G"), relaterad till ett materials "vätskeliknande" beteende.
- Fasvinkel (δ): Denna parameter indikerar fördröjningen mellan den applicerade spänningen och töjningen och underlättar därmed bestämningen av materialets beteende som antingen fast (δ ≈ 0°) eller flytande (δ ≈ 90°).
Amplitudsvep: Bestämning av LVER (linjär viskoelastiskViskoelastisk region)
Oscillerande mätningar utförs i allmänhet inom det linjära viskoelastiska området (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), där materialstrukturen förblir opåverkad av den applicerade deformationen. 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 bestäms med hjälp av en amplitudsvepning. Detta test bestämmer den maximala deformationsamplituden som kan användas utan att leda till en nedbrytning av materialets struktur för en definierad frekvens och temperatur.
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 är in- och utsvängningsfrekvenserna desamma (se figur 1).
Bortom 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 leder däremot excitation med sinusformad skjuvvåg till ett icke-sinusformigt svar (figur 2). Ingångssvängningen (t.ex. med en basfrekvens på 1 Hz) bryts ned till svängningar med olika harmoniska frekvenser; se figur 3.
Harmonisk distorsion definieras enligt följande:
I1: Amplituden för ingångsfrekvensen
In: Amplituden för den n:te harmoniska komponenten i det oscillerande svaret
Harmonisk distorsion på 0% innebär perfekt linjäritet hos signalen. Denna parameter kan visas i mät- och utvärderingsprogrammet Kinexus, rSpace, för att kontrollera att svängningsdata är korrekta.
Minsta möjliga harmoniska distorsion (HD) = bästa signal/brusförhållande
Ett exempel visas i figur 4: Kurvorna för elastisk skjuvmodul (G', röd), viskös skjuvmodul (G'', blå), skjuvspänningens amplitud (σ, grön) och harmonisk distorsion (HD, svart) under en amplitudsvepning. Skjuvspänningen γ, som detekteras vid minsta HD, motsvarar deformationen för ett optimalt signal/brusförhållande. Detta värde kan användas för följande oscillerande mätningar (frekvenssvep, temperatursvep, etc.).
Harmonisk distorsion för att kontrollera linjäriteten under temperatur- eller frekvensökningar
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) beror på mätförhållanden som frekvens och temperatur. Vid en amplitudsvepning hålls dessa parametrar konstanta för att bestämma den lämpliga töjningen inom LVER. Under en frekvenssvepning varierar däremot frekvensen under hela testet och LVER kan ändras i enlighet med detta. För att säkerställa att materialet håller sig inom LVER över hela frekvensområdet kan den harmoniska distorsionssignalen övervakas som en indikator på det linjära beteendet.
Slutsats
Harmonisk distorsion är en viktig signal att kontrollera om mätningar av svängningar utförs i det linjära viskoelastiska området. Det gäller såväl polymerområdet som livsmedels- och läkemedelsområdet:
- Termoplaster: Att bestämma LVER är avgörande för att endast fånga de inneboende materialegenskaperna under frekvens- eller temperatursvepningar av polymerer och plaster. Om mätningar görs utanför LVER kan ytterligare strukturella förändringar inträffa, t.ex. kedjeorientering, upplösning eller till och med skador på polymernätverket. Detta skulle leda till förvrängda mätdata och göra utvärderingen av bearbetnings- eller åldringsstudier otillförlitliga.
- Härdplaster, ytbeläggningar och lim: Dessa system innehåller ofta känsliga nätverk av polymerer eller fyllmedel som kan förstöras vid alltför stora påfrestningar. Om LVER inte beaktas verkar materialen antingen för mjuka eller för hårda, vilket kan leda till felaktiga beslut vid applicering och processdesign (t.ex. felaktiga viskositetsfönster för applicering eller felaktiga förutsägelser av vidhäftning).
- Livsmedel (t.ex. geler, emulsioner, bredbara fetter): Här är det särskilt viktigt att inte förstöra den ömtåliga mikrostrukturen (t.ex. emulsionsnätverk, proteingel, fettkristaller) genom överdriven skjuvning. Mätningar utanför LVER kan t.ex. bryta upp en gel eller omorganisera fettkristaller, vilket gör att konsistensen verkar "artificiellt" mjukare än vad den faktiskt är. Detta skulle få direkta konsekvenser för produktutveckling och kvalitetskontroll, eftersom stabilitet, munkänsla eller bredbarhet skulle bedömas på ett felaktigt sätt.
- Farmaceutiska formuleringar (t.ex. krämer, pastor, suspensioner): Även här är den strukturella integriteten avgörande, särskilt vid bedömning av lagringsstabilitet eller frisättning av aktiva ingredienser. Om mätningarna görs utanför LVER kan partikel- eller bärarstrukturen förändras genom skjuvning, vilket kan leda till en felaktig bedömning av flödes- och appliceringsegenskaperna. I värsta fall kan detta påverka effekten eller patientsäkerheten.
Distorsionsfaktorn säkerställer att reologiska undersökningar utförs i ett område där materialstrukturen förblir intakt. Detta förhindrar att själva mätningen förvränger resultatet - en förutsättning för tillförlitliga, jämförbara och praktiskt relevanta data.