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

使用屈服應(yīng)力預(yù)測分散體系的穩(wěn)定性

評(píng)估分散液或乳液的長期穩(wěn)定性可能既繁瑣又耗時(shí)。但是，確保產(chǎn)品符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。配方設(shè)計(jì)師經(jīng)常通過多種手段來實(shí)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(huì)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(qiáng)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：

ρ_D：分散相密度

ρ_c：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(diǎn)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(dòng)的點(diǎn)。

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(yùn)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(píng)價(jià)方法和數(shù)據(jù)，以評(píng)估其作為產(chǎn)品要求的氣泡懸浮能力。

實(shí)驗(yàn)：

1. 評(píng)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(shí)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(yù)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(jì)算器，輸入粒子相關(guān)屬性，計(jì)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(biāo)準(zhǔn)預(yù)配置序列進(jìn)行測量。

5. 使用標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行。

7. 進(jìn)行剪切應(yīng)力掃描實(shí)驗(yàn)，從峰值點(diǎn)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(jì)算的應(yīng)力進(jìn)行比較，以評(píng)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(gè)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(gè)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(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(jìn)行驗(yàn)證，以確認(rèn)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(yù)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(yùn)輸過程中可能會(huì)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(qiáng)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(píng)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(yù)計(jì)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(yù)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(jìn)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(xiàn)參考：

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