應用案例 | 使用屈服應力預測分散體系的穩定性

使用屈服應力預測分散體系的穩定性

評估分散液或乳液的長期穩定性可能既繁瑣又耗時。但是，確保產品符合質量標準至關重要。配方設計師經常通過多種手段來實現產品穩定性，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，或增加連續相的粘度。對于稀分散液，這些因素的綜合影響體現在零剪切粘度中，該值給出了關于在什么樣的速率下液滴將聚結或分離，或分散相將沉降的相關信息。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，可能會形成網絡結構。在這種情況下，體系穩定性將在很大程度上與網絡結構的強度有關，后者可通過屈服應力來量化。

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

ρ_D：分散相密度

ρ_c：連續相密度

g：重力加速度

r：分散相半徑

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

為了使系統穩定，屈服應力必須足以承受分散顆粒施加的應力，而且還必須承受例如在產品運輸過程中可能遇到的其他應力。

本應用針對兩種沐浴露產品的穩定性，給出了相關評價方法和數據，以評估其作為產品要求的氣泡懸浮能力。

實驗：

1. 評估了兩種市售沐浴露產品：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. 后一種產品經過特殊配制，在產品放在貨架上時能夠將氣泡懸浮于瓶中（注：在測試之前，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軟件中使用粒子應力計算器，輸入粒子相關屬性，計算了分散的粒子對周圍介質施加的應力（請參見方程1）。

4. 使用Kinexus旋轉流變儀，配備Peltier板盒，錐板系統，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. 進行剪切應力掃描實驗，從峰值點獲取屈服應力。

8. 隨后，將產品屈服應力的大小與根據分散微粒特性計算的應力進行比較，以評估系統的長期穩定性。

結果與討論：

圖1顯示了應力掃描測試獲取的兩個沐浴露樣品的粘度-應力曲線。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表現出帶有屈服應力的應變硬化，而沐浴露1表現為零剪切粘度的液體。

圖1  由應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）的粘度對剪切應力的曲線，粘度峰值顯示沐浴露2的屈服應力為4Pa

在某些情況下，粘彈性液體即使沒有真正的屈服應力，也可能會出現一個小的粘度峰值。 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的氣泡所施加的應力約為0.65Pa，因此，4Pa的屈服應力應足以使氣泡相穩定懸浮，盡管在運輸過程中可能會引入額外的應力，以及由溫度升高可能引起的網絡強度降低也需納入考慮之中。

由于沐浴露1沒有屈服應力，因此需要精確的零剪切粘度值來評估穩定性，例如可從蠕變測試得到該值。該測試顯示零剪切粘度為8Pas，根據這一數據，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定性是不可接受的。因此為了提供氣泡懸浮產品所需的長期穩定性和保存期限，屈服應力的引入將是必要的。

結論：

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

因此，該測試為預測給定粒徑和密度的懸浮液的穩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