Reoloji Kullanılarak "Solucan Benzeri Misellerin" Mikroyapısının Karakterize Edilmesi

Giriş

Solucan benzeri misellerin (WLM'ler) özellikleri hem akademide hem de endüstride önemli bir araştırmaarcalanını temsil etmektedir. Bunun başlıca nedeni, kişisel bakımdan petrol geri kazanımına kadar bir dizi endüstride yaygın uygulamalara sahip olmalarıdır. Kayda değer viskozite ve viskoelastisite oluşturmak için basit, uygun maliyetli bir yol sunarlar. Çarpıcı derecede farklı reolojiye sahip başka bir faza geçiş yapabilen 'akıllı' veya uyaranlara duyarlı yapılar haline getirilebilirler. Böyle bir tepki, biyomedikal ve ilaç dağıtım uygulamaları ve ayrıca mikroakışkan cihazlar kullanılarak yapılan ayırma işlemleri için oldukça ilgi çekicidir.

Solucan benzeri miseller çok çeşitli farklı yüzey aktif madde sistemlerinden (birionic, cationic ve zwitterionic) ve ayrıca çeşitli blok kopolimerlerden oluşturulabilir. İlginç olan en önemli faktör, bu kadar çeşitli kimyasal türlerden oluşabilmelerine rağmen, reolojik tepkilerinin çarpıcı bir şekilde benzer olması ve farklı bir reolojik imzaya sahip olmalarıdır. Artık iyice yerleşmiş ve yaygın olarak kabul görmüş olan teorik gelişmeler, sadece yapının tespit edilmesine (farklı reolojik imza ile ortaya çıktığı gibi) değil, aynı zamanda önemli yapısal parametrelerin çıkarılmasına da izin vermektedir.

Bu sayedearcelektrolit seviyesi, pH veya yüzey aktif madde bileşimi gibi çeşitli formülasyon koşullarının oluşan solucan benzeri miselin mikro yapısını nasıl etkilediğine dair fikir edinebilmektedir. Solucan benzeri miseller, vakaların büyük çoğunluğunda amfifilik moleküller olan yüzey aktif maddelerden oluşur. Yüzey aktif madde paketleme parametresine bağlı olarak, yüzey aktif maddeler çok çeşitli mikro yapılarda bir araya gelebilir (bkz. Tablo 1).

Tablo 1: Paketleme parametresinin oluşan yüzey mikroyapısı üzerindeki etkisi

Paketleme parametresi 1/2 ile 1/3 arasında olduğunda, yüzey aktif madde molekülleri çubuk benzeri bir misel düzenlemesi şeklinde dizilebilir. Termodinamiklerine dayanarak, bu çubuk benzeri miseller artan konsantrasyonla veya bir elektrolit veya yardımcı yüzey aktif madde ilavesiyle solucan benzeri misellere ve ardından nematik sıvı kristallere doğru büyümeye devam edebilir (Şekil 1).

Şekil 1'de gösterilen farklı fazların her biri farklı reolojik özellikler sergilemektedir. En belirgin ve net reolojik işaret, yarı seyreltik ve konsantre solucan benzeri miseldir. Seyreltik fazdan yarı seyreltik faza ve konsantre fazdan nematik faza geçişler de reoloji yoluyla takip edilebilir.

Çok çeşitli uygulamalarda birincil reoloji yapıları olduklarından, reolojik imzalarını ve yapılarındaki değişiklikleri ve formülasyondaki ekleme / değişikliklere karşılık gelen reolojiyi anlamak, hem akademik hem de endüstriyel bilim adamları tarafından istenen önemli bir bilgidir. Reoloji, misel büyümesi, dolanıklık, dallanma ve kayma kaynaklı geçişler hakkında özel bilgiler sağlayabilir.

Teori

Solucan benzeri miseller polimerlere benzerler, uzun ve esnektirler ve olağanüstü viskoziteleri ve viskoelastisiteleri solucan benzeri misellerin dolanmasından kaynaklanır. Reolojik tepkilerini kontrol eden iki temel yapısal özellik, kontur uzunluğu L (uçtan uca mesafenin bir ölçüsü) ve kalıcılık uzunluğu lp'dir (miselin esnekliğinin bir ölçüsü). Sistemin esnekliği, solucan benzeri miselin hidrodinamik korelasyon uzunluğu ξH tarafından etkilenir.

Polimerlere benzer şekilde solucan benzeri bir miselde StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres gevşemesi, reptasyon (bir polimerin komşuları tarafından oluşturulan bir tüp boyunca yılan benzeri hareketiyle, tüpten çıkana kadar StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres gevşemesi, bu noktada StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres tamamen gevşer) ve ayrıca kırılma ve yeniden şekillenme yoluyla gerçekleşebilir.

Reptasyon süresi φ hacim fraksiyonuna bağlıdır ve şu şekilde verilir: τrep ~ ^L3φ3/4

Kırılma/oluşma süresi şu şekilde verilir: _τkırılma ~ 1/L

_Τbreak > _τrep olduğunda, miseller üstel polidispersite ile kırılmaz polimerler gibi davranır ve StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres gevşemesi şeklini alır:

Deneysel

• Bu deneyde, gevşeme süresini ve hidrodinamik korelasyon uzunluğunu belirlemek için solucan benzeri misel yapılı bir vücut yıkaması değerlendirilmiştir.
• Rotasyonel reometre ölçümleri, Peltier plaka kartuşlu bir Kinexus reometre ve rSpace yazılımında önceden yapılandırılmış standart diziler kullanılarak bir koni ve plaka ölçüm ^sistemi1 kullanılarak yapılmıştır.
• Numunenin tutarlı ve kontrol edilebilir bir yükleme protokolüne tabi olmasını sağlamak için standart bir yükleme dizisi kullanılmıştır.
• Tüm reoloji ölçümleri 25°C'de gerçekleştirilmiştir.
• Doğrusal Viskoelastik Bölge (LVER)LVER'de, uygulanan gerilimler yapının yapısal bozulmasına (akma) neden olmak için yetersizdir ve bu nedenle önemli mikro-yapısal özellikler ölçülmektedir.LVER içinde bir gerinim değeri kullanılarak 0,2 ile 40 rad/s arasında bir frekans tarama testi gerçekleştirilmiştir.
• Solucan benzeri miselin karakteristik yarı dairesel şeklinin (Maxwell yanıtı) elde edilip edilmediğini belirlemek için frekans taramasından otomatik olarak bir Cole-Cole grafiği (G'' vs G' grafiği) üretilmiştir.
• Gp ve τ için değerler frekans taraması verilerinden çıkarılmış ve ξH ilkinden hesaplanmıştır.

Sonuçlar ve Tartışma

Vücut yıkama ürünü için G', G'' frekans tepkisi Şekil 2(a)'da ve buna karşılık gelen Cole-Cole grafiği Şekil 2(b)'de gösterilmiştir.

Şekil 2(a)'da gösterilen veriler, yüksek frekanslarda (_Gp) G''de bir plato başlangıcı ve _ωc = 1/τ'de G'/G"'de birÇapraz geçiş noktasıFrekans taraması veya zaman/sıcaklık taraması gibi reolojik testlerde, çaprazlama noktası numunenin "geçiş" noktasını belirtmek için uygun bir referans noktasıdır. çapraz geçiş ile tek bir gevşeme süresi Maxwell modeli için beklenenlere benzerdir. Cole-Cole grafiğinin yarım daire şekli Maxwell davranışını doğrulamaktadır. Basit vücut yıkama veya şeffaf şampuan ürünlerinin çoğu genellikle bu davranışa uygundur; solucan benzeri misel yapısı, tuz varlığında birionic ve zwitterionic yüzey aktif maddelerin kombinasyonundan kaynaklanır. Daha karmaşık formülasyonlarda, parfüm ve sedefli maddeler gibi diğer katkı maddelerinin varlığı, tamamen dolaşık solucan benzeri misel sisteminden sapmaya neden olabilir. Bu sapma herhangi bir katkı maddesinin yokluğunda da devam ederse, mikro yapıdaki değişikliklere ve yüzey aktif madde sisteminin yapılandırma etkinliğine atfedilebilir. Düşük yüzey aktif madde ve düşük tuz seviyelerinde tamamen dolaşık solucan benzeri misel sistemi elde etme yeteneği, yüksek verimli bir yapılandırma sistemi anlamına geldiğinden oldukça arzu edilir bir durumdur.

Tablo 2: Teori kullanılarak ölçüm verilerinden çıkarılan yapısal parametreler

Teori kullanılarak çıkarılan ilgili yapısal parametreler bu sistem için Tablo 2'de gösterilmiştir.

Sonuçlar

arcSolucan benzeri misellerin (WLM'ler) özellikleri hem akademide hem de endüstride önemli bir araştırma alanını temsil etmektedir, çünkü bunlar çok çeşitli ürün ve uygulamalarda kullanılmaktadır ve bunların çoğu kritik olarak altta yatan mikro yapılarına bağlıdır. Reolojik ölçümleri teorik anlayışla birleştirerek, malzemenin ve reolojik davranışının hem karakteristik hem de tanımlayıcı olan gevşeme süresi ve hidrodinamik korelasyon uzunluğu dahil olmak üzere temel mikroyapısal parametreleri çıkarmanın mümkün olduğu gösterilmiştir.

Paralel plaka geometrisi veya silindirik geometrinin de kullanılabileceğini lütfen unutmayın. Ölçüm sisteminin kenarlarındaki çözücünün (örn. su) buharlaşması, özellikle yüksek sıcaklıklarda çalışırken testi geçersiz kılabileceğinden, bu testler için bir çözücü tuzağının kullanılması da önerilir.