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應(yīng)用案例 | 使用屈服應(yīng)力預測分散體系的穩(wěn)定性

更新時間:2021-09-06      點擊次數(shù):1180

使用屈服應(yīng)力預測分散體系的穩(wěn)定性

評估分散液或乳液的長期穩(wěn)定性可能既繁瑣又耗時。但是,確保產(chǎn)品符合質(zhì)量標準至關(guān)重要。配方設(shè)計師經(jīng)常通過多種手段來實現(xiàn)產(chǎn)品穩(wěn)定性,例如最小化界面張力,增加分散相的空間位阻或靜電排斥力,或增加連續(xù)相的粘度。對于稀分散液,這些因素的綜合影響體現(xiàn)在零剪切粘度中,該值給出了關(guān)于在什么樣的速率下液滴將聚結(jié)或分離,或分散相將沉降的相關(guān)信息。對于濃度更高的體系,通過分散相的相互作用,或粒子/液滴相互擁堵,可能會形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這種情況下,體系穩(wěn)定性將在很大程度上與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強度有關(guān),后者可通過屈服應(yīng)力來量化。

對于穩(wěn)定的體系,屈服應(yīng)力必須大于分散相在重力作用下施加的應(yīng)力。后者可根據(jù)以下公式估算:

公式.png


ρD:分散相密度

ρc:連續(xù)相密度

g:重力加速度

r:分散相半徑

有許多可用于確定屈服應(yīng)力的測試方法。最快、簡單的方法之一是執(zhí)行剪切應(yīng)力掃描,以粘度曲線峰值點對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服應(yīng)力。在此粘度峰值之前,材料經(jīng)受的是彈性變形。因此,該峰值代表彈性結(jié)構(gòu)破壞(屈服)和材料開始發(fā)生流動的點。

為了使系統(tǒng)穩(wěn)定,屈服應(yīng)力必須足以承受分散顆粒施加的應(yīng)力,而且還必須承受例如在產(chǎn)品運輸過程中可能遇到的其他應(yīng)力。

本應(yīng)用針對兩種沐浴露產(chǎn)品的穩(wěn)定性,給出了相關(guān)評價方法和數(shù)據(jù),以評估其作為產(chǎn)品要求的氣泡懸浮能力。


實驗:

1. 評估了兩種市售沐浴露產(chǎn)品:一種僅包含表面活性劑,另一種包含表面活性劑和締合性增稠劑。

2. 后一種產(chǎn)品經(jīng)過特殊配制,在產(chǎn)品放在貨架上時能夠?qū)馀輵腋∮谄恐校ㄗⅲ涸跍y試之前,為了消除氣泡對流變性能的影響,已預先通過離心法去除了樣品中的氣泡)。

3. 在rSpace軟件中使用粒子應(yīng)力計算器,輸入粒子相關(guān)屬性,計算了分散的粒子對周圍介質(zhì)施加的應(yīng)力(請參見方程1)。

4. 使用Kinexus旋轉(zhuǎn)流變儀,配備Peltier板盒,錐板系統(tǒng),并使用rSpace軟件中的標準預配置序列進行測量。

5. 使用標準的裝樣序列,以確保樣品遵循一致且可控的裝樣方法。

6. 所有流變測量均在25°C下進行。

7. 進行剪切應(yīng)力掃描實驗,從峰值點獲取屈服應(yīng)力。

8. 隨后,將產(chǎn)品屈服應(yīng)力的大小與根據(jù)分散微粒特性計算的應(yīng)力進行比較,以評估系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。


結(jié)果與討論:

圖1顯示了應(yīng)力掃描測試獲取的兩個沐浴露樣品的粘度-應(yīng)力曲線。沐浴露2的曲線顯示了一個清晰的粘度峰值,而沐浴露1的曲線則相對平坦。這意味著,沐浴露2表現(xiàn)出帶有屈服應(yīng)力的應(yīng)變硬化,而沐浴露1表現(xiàn)為零剪切粘度的液體。

圖1  由應(yīng)力掃描測試得到的含締和增稠劑沐浴露(沐浴露2)和不含締和增稠劑沐浴露(沐浴露1)的粘度對剪切應(yīng)力的曲線,粘度峰值顯示沐浴露2的屈服應(yīng)力為4Pa

在某些情況下,粘彈性液體即使沒有真正的屈服應(yīng)力,也可能會出現(xiàn)一個小的粘度峰值。 在這種情況下,用戶可能需要審慎對待,或者使用其他測試(例如蠕變測試或剪切速率測試)進行驗證,以確認是否存在零剪切粘度。

沐浴露2測得的屈服應(yīng)力為4Pa。

使用方程式1,我們可以預測直徑為100μm的氣泡所施加的應(yīng)力約為0.65Pa,因此,4Pa的屈服應(yīng)力應(yīng)足以使氣泡相穩(wěn)定懸浮,盡管在運輸過程中可能會引入額外的應(yīng)力,以及由溫度升高可能引起的網(wǎng)絡(luò)強度降低也需納入考慮之中。

由于沐浴露1沒有屈服應(yīng)力,因此需要精確的零剪切粘度值來評估穩(wěn)定性,例如可從蠕變測試得到該值。該測試顯示零剪切粘度為8Pas,根據(jù)這一數(shù)據(jù),對于100μm的氣泡,預計氣泡上升速率約為6cm/天。這顯然對于維持分散體系的長期穩(wěn)定性是不可接受的。因此為了提供氣泡懸浮產(chǎn)品所需的長期穩(wěn)定性和保存期限,屈服應(yīng)力的引入將是必要的。


結(jié)論:

本文使用屈服應(yīng)力掃描測試,比較了兩種沐浴露產(chǎn)品。含有締合增稠劑的沐浴露2具有屈服應(yīng)力,能夠使氣泡懸浮。不含增稠劑的沐浴露1只有零剪切粘度,不足以保證長期穩(wěn)定性。

因此,該測試為預測給定粒徑和密度的懸浮液的穩(wěn)定性提供了一種快速便捷的方法。

注意:也可以使用平行板夾具進行測試,對于較大粒徑的分散體系和乳液,推薦選擇該種夾具。這類材料可能還需要使用表面粗糙或鋸齒狀的夾具,以避免由于流體在夾具表面滑移造成的測試假象。


文獻參考:

[1] White Paper – Understanding Yield Stress Measurements White Paper – Understanding Yield Stress Measurements, NETZSCH-Ger?tebau GmbH




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