使用旋轉(zhuǎn)流變儀的蠕變測試評估沐浴露的分散穩(wěn)定性
乳液或懸浮液的長時間穩(wěn)定性是由零剪切粘度、還是由屈服應(yīng)力控制,取決于其微觀結(jié)構(gòu)。長時間尺度下的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)很重要,因為最終任何的分散相在長的儲存時間下都會面對這一問題。判定這一問題,以及材料的低剪切(零剪切)粘度高低的一種方式是蠕變測試。測試方法為在一個長的時間尺度下應(yīng)用恒定的應(yīng)力,監(jiān)測由此產(chǎn)生的應(yīng)變或柔量(應(yīng)變/應(yīng)力)隨時間的變化。
如圖1所示,純粹粘性的材料將顯示柔量隨時間的線性增加,即出現(xiàn)代表流動性的穩(wěn)態(tài)粘性響應(yīng)。與此相對,固體的柔量瞬間達(dá)到最大值并保持恒定,這是彈性響應(yīng)的表現(xiàn)。
圖1 蠕變測試原理。(a) 彈性體;(b) 粘性體;(c) 粘彈性體
對于粘彈性材料,其響應(yīng)是粘性與彈性效應(yīng)的結(jié)合,如圖2所示。其在長時間下的響應(yīng)過程將體現(xiàn)它是擁有屈服應(yīng)力(彈性),或穩(wěn)態(tài)粘滯響應(yīng)(粘性)。如果材料表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)粘性響應(yīng),零剪切粘度則僅由柔量對時間譜圖的斜率的倒數(shù)來決定。
圖2 蠕變響應(yīng)。藍(lán)線:粘彈性液體;紅線:粘彈性固體
如果分散相的平均粒徑、密度與體積分?jǐn)?shù)已知,且測定了連續(xù)相的零剪切粘度,則分散相的速率(v)可以通過以下修正的Stokes方程來估算:
a: 粒子半徑(球形)
△ρ:粒子與液體間的密度差
η:液體的粘度(零剪切粘度)
g:重力加速度
Φ:相體積
對于粒徑 > 1um,指數(shù)一般為4.75。對于粒徑 < 1um,指數(shù)為5.25。
基于這些分析結(jié)果,可以調(diào)整與優(yōu)化懸浮液的配方,以獲取足夠低的剪切粘度,使分散相能夠懸浮足夠長的時間;或者引入屈服應(yīng)力,以在長時間下給出類似固體的響應(yīng)。
值得注意的是,運行蠕變測試需要足夠長的時間,以使體系達(dá)到穩(wěn)態(tài)。如果不是這樣,可能會給出過低的零剪切粘度,或者作出不正確的假設(shè),認(rèn)為材料有著零剪切粘度,而實際上它有著屈服應(yīng)力。由于分散體系可能在架子上安靜地置放多個星期甚至多月,需要在任何測試方案中將這種情況納入考慮。
本應(yīng)用案例顯示了對于兩種商品化的沐浴露產(chǎn)品的蠕變測試方法與數(shù)據(jù)。
實驗條件:
- 分析了兩種商品化的沐浴露產(chǎn)品。一種只包含表面活性劑,另一種包含表面活性劑與締合增稠劑。
- 旋轉(zhuǎn)流變測量使用Kinexus流變儀,Peltier板盒,錐板測量系統(tǒng),并在rSpace軟件中使用標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)配置的測量程序。
- 采用標(biāo)準(zhǔn)流程加載樣品,確保對所有樣品進(jìn)行一致、可控的加載。
- 除非特別說明,所有的流變測量均在25℃下進(jìn)行。
- 執(zhí)行了應(yīng)力控制的振幅掃描,以測量線性粘彈性區(qū)域(LVER)的長度,并確定合適的、應(yīng)用于后續(xù)蠕變測試的應(yīng)力值(LVER測定由rSpace軟件自動進(jìn)行,測得的應(yīng)力值用于程序的下一部分)。
- 在LVER范圍內(nèi),使用預(yù)定義的應(yīng)力值,執(zhí)行了蠕變測試 -- 其最終條件設(shè)為達(dá)到一定閾值范圍內(nèi)的穩(wěn)定狀態(tài)。
- 使用“從蠕變數(shù)據(jù)獲取零剪切粘度"功能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
- 使用軟件中的Stokes定律計算器,對粒子的沉降速率進(jìn)行估算。使用測試得到的粘度,結(jié)合用戶輸入的變量,以進(jìn)行粒子表征。
結(jié)果與討論:
圖3以對數(shù)坐標(biāo)的形式顯示了兩種沐浴露產(chǎn)品的蠕變響應(yīng)。很明顯,兩種產(chǎn)品表現(xiàn)出相似的起始階段彈性響應(yīng),然而,其后的延遲彈性響應(yīng)存在差異,這可以從達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時間尺度觀察到。這一測試設(shè)定的穩(wěn)態(tài)偏差范圍為60s內(nèi)±1%。很明顯,樣品A幾乎立刻顯示了穩(wěn)態(tài)行為,樣品B則存在一些殘余彈性。
圖3 兩種沐浴露產(chǎn)品的對數(shù)柔量對時間圖譜
圖4以線性坐標(biāo)顯示了同一測試結(jié)果。這使得區(qū)分柔量對時間譜圖的斜率差異性更為容易。由于η0由曲線穩(wěn)態(tài)部分的斜率倒數(shù)所給出,那么很明顯,樣品B的零剪切模量將比樣品A更大。這些數(shù)值在軟件中自動計算,對于樣品A與B,其值分別為6Pas與12Pas。根據(jù)方程1,這意味著對于具有相同粒子與體積比的懸浮液,樣品B的沉降速率僅為樣品A的一半。這些粘度數(shù)據(jù)是否足以給出有效的穩(wěn)定性,取決于比尺寸、密度、分散相的體積,這些都需要使用獨立的技術(shù)測量得到。
圖4 兩種沐浴露產(chǎn)品的柔量對時間圖譜
測試結(jié)論:
蠕變測試是一種有效的用于測定材料的零剪切粘度的方法,可用于評估懸浮液的穩(wěn)定性。
在這一測試中,已經(jīng)顯示對以表面活性劑為主成分的沐浴露,在具有同樣的懸浮粒子與體積含量的情況下,若添加少量的締合增稠劑,其零剪切粘度將加倍,沉降速率則降至一半。
測試結(jié)論:
[1] Barnes, H A, ′The 1992 IChemE Research Event`, pp.
注:也可使用平行板或同軸圓筒型的夾具。這類測試建議使用溶劑捕捉肼,因為溶劑(例如水)在測量系統(tǒng)邊緣的蒸發(fā)可能使測量失效,特別在較高溫度下進(jìn)行測試時。
電話
微信掃一掃