旋轉流變儀應用案列

在旋轉流變儀上使用溫度循環測試分析產品的熱穩定性

評估產品的長時間穩定性 - 例如個人護理與居家產品，食品，飲料，油漆，油墨，涂料等 - 可能是既乏味又耗時的過程，必須將產品的整個使用壽命中可能遇到的各種環境條件納入考慮。當在卡車中運輸時，或者存儲于倉庫中時，這類產品經?？赡鼙┞对趶牧阆碌礁哌_50℃的溫度范圍內。在這些條件下，產品可能變質，產生外觀上的改變，或者失效。 為了測定這類產品的溫度穩定性，需要在一系列的溫度循環下監控產品的流變行為。通過監控復數模量（G*）對溫度的函數關系，可以對此進行很好的評估。對于熱穩定的材料，應該顯示相似的循環行為，因為微觀結構不會改變。對于熱不穩定的樣品，溫度循環將導致在每一循環下，材料的復數模量隨溫度的函數關系發生變化。本應用實例顯示了對于兩種護膚霜產品配方，測定熱穩定性的方法與得到的數據。 在10…50℃的溫度范圍內測定了兩種護膚霜產品的熱穩定性。使用Kinexus旋轉流變儀進行流變測量，使用Peltier板盒+錐板測量系統，并使用在rSpace軟件中的標準預配置的測量程序。使用標準的裝樣程序，以確保樣品遵循一致且可控的裝樣方法。執行了應變控制的振幅掃描，以測量線性粘彈性區域（LVER）的寬度，并確定合適的將在后續溫度掃描測試中使用的應力值（LVER測定由rSpace軟件自動進行，測得的應變數值將應用到測量程序的下一階段中）。執行了單頻應變控制的溫度掃描，溫度范圍設置為產品在運輸與儲存過程中可能遇到的極限溫度范圍 -- 本例中為10到50℃。在設置的溫度上下限之間進行掃描，并定義了循環數。產品的熱穩定性通過比較G*對溫度的圖譜得到量化，并應用曲線統計以分析不同曲線的數據差異，評價曲線對設定限值的偏離程度。例如，取決于產品的需求，在整個數據系列中，若所有數據點的數值偏差 < 5%，可以視為熱穩定；而 > 5 % 的偏差可視為熱不穩定。 以下顯示了兩個重復熱循環下復數模量對溫度的圖譜。圖1為樣品A，圖2為樣品B。對于樣品A，兩個溫度循環的曲線顯示出良好的重疊性，這由rSpace軟件的統計分析輸出中可以得到確認，其中第二循環的重復數據均在±5%公差范圍內。按照該設定的閾值，樣品A是一種熱穩定的材料。但對于樣品B，很明顯地存在循環數據上的差異。對于兩個溫度循環，特別是第二循環的下行部分，復數模量有一個明顯的上升。應用相同的曲線統計方法，樣品B的重復的數據超出±5%的閾值限值。這表明樣品B是一種熱不穩定的材料。對兩個護膚霜樣品的測試結果表明，可以通過在單一頻率下進行溫度循環測試，確定產品的熱穩定性。在兩個測試樣品中，樣品A呈現熱穩定，不會在運輸與儲存過程中降解。而樣品B熱不穩定，更傾向于在運輸與儲存過程中，在JI 端的溫度條件下發生降解。 注：rSpace軟件在實時測試過程中同樣顯示了相角 - 這一參數未包含在分析圖譜中，但對于評估樣品彈性隨溫度的改變很有用。參考文獻 1. An Introduction to Rheology – Barnes 2. Viscoelastic Properties of Polymers – Ferry 注：本測試也可使用平行板夾具或同軸圓筒夾具 - 這些夾具更適合于含有較大顆粒的懸浮液與乳液。這類測試可能還需要使用表面粗糙的夾具，如果樣品表現出壁滑傾向的話。

使用旋轉流變儀的蠕變測試評估沐浴露的分散穩定性

乳液或懸浮液的長時間穩定性是由零剪切粘度、還是由屈服應力控制，取決于其微觀結構。長時間尺度下的微觀結構狀態很重要，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用恒定的應力，監測由此產生的應變或柔量（應變/應力）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，即出現代表流動性的穩態粘性響應。與此相對，固體的柔量瞬間達到最大值并保持恒定，這是彈性響應的表現。 對于粘彈性材料，其響應是粘性與彈性效應的結合，如圖2所示。其在長時間下的響應過程將體現它是擁有屈服應力（彈性），或穩態粘滯響應（粘性）。如果材料表現為穩態粘性響應，零剪切粘度則僅由柔量對時間譜圖的斜率的倒數來決定。 實驗 -分析了兩種商品化的沐浴露產品。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。 -旋轉流變測量使用Kinexus流變儀，Peltier板盒，錐板測量系統，并在rSpace軟件中使用標準的預配置的測量程序。 -采用標準流程加載樣品，確保對所有樣品進行一致、可控的加載。 -除非特別說明，所有的流變測量均在25℃下進行。 -執行了應力控制的振幅掃描，以測量線性粘彈性區域（LVER）的長度，并確定合適的、應用于后續蠕變測試的應力值（LVER測定由rSpace軟件自動進行，測得的應力值用于程序的下一部分）。 -在LVER范圍內，使用預定義的應力值，執行了蠕變測試 -- 其最終條件設為達到一定閾值范圍內的穩定狀態。 -使用“從蠕變數據獲取零剪切粘度”功能進行數據分析。 -使用軟件中的Stokes定律計算器，對粒子的沉降速率進行估算。使用測試得到的粘度，結合用戶輸入的變量，以進行粒子表征。 圖3以對數坐標的形式顯示了兩種沐浴露產品的蠕變響應。很明顯，兩種產品表現出相似的起始階段彈性響應，然而，其后的延遲彈性響應存在差異，這可以從達到穩態所需的時間尺度觀察到。這一測試設定的穩態偏差范圍為60s內±1%。很明顯，樣品A幾乎立刻顯示了穩態行為，樣品B則存在一些殘余彈性。 圖4以線性坐標顯示了同一測試結果。這使得區分柔量對時間譜圖的斜率差異性更為容易。由于η0由曲線穩態部分的斜率倒數所給出，那么很明顯，樣品B的零剪切模量將比樣品A更大。這些數值在軟件中自動計算，對于樣品A與B，其值分別為6 Pas與12 Pas。根據方程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。這些粘度數據是否足以給出有效的穩定性，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測量得到。 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定性。在這一測試中，已經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。 參考文獻 [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）在測量系統邊緣的蒸發可能使測量失效，特別在較高溫度下進行測試時。

液滴濃度對乳液粘度的影響

簡介乳液是具有液體連續相和液滴分散相的一種分散系統。最常見的兩大類乳液是水包油乳液和油包水乳液（圖1）。在水包油乳液中，連續相是水，分散相是油，而在油包水乳液中，連續相是油，而分散相是水。油包水乳液是否轉變為水包油乳液取決于兩相的體積分數和乳化劑。乳化劑是通過在油/水界面處吸附，來穩定乳液的材料。表面活性劑是乳化劑的最常見形式，盡管聚合物和顆粒材料通常可以起到類似的作用。 乳液流變學認為分散相的體積分數以及液滴尺寸至關重要。關鍵的流變參數是粘度、法向應力、粘彈性和屈服應力。隨著液滴體積分數的增加，剪切稀化的影響愈趨顯著。在參考文獻[2]中，是通過調整Φm，以得到在每一剪切速率下的最佳擬合。隨著體積分數的增加，可能會出現液滴被卡住的情況，從而阻礙了顆粒之間的彼此相對移動。在這種情況下，系統被認為是具有屈服應力的。這在單獨的應用文章中進行了討論。還應注意，該相關理論假設采用簡單的乳液，并且不考慮流變改性劑（例如交聯微凝膠）的存在，這類流變改性劑具有相當大的相體積，會顯著影響溶劑，從而影響乳液的流變性。針對給定的乳化體系，為了對理論進行實驗驗證，有必要測定不同液滴濃度下乳化液的零剪切粘度，隨后使用懸浮介質的粘度來計算不同濃度下的零剪切相對粘度。基于零剪切相對粘度和濃度之間的關系圖，可驗證上述理論是否切合于所研究的乳液體系的行為?？梢詫祿M行進一步的提煉和分析，以考察對上述模型的匹配準確程度。使用同樣的程序，也可研究液滴大小對粘度的影響。 -該測試方法以預配置序列的形式，存在于Kinexus旋轉流變儀的rSpace軟件中。 -該序列運行一個剪切應力表，然后使用Ellis模型對數據進行擬合，以確定η0和ηr,0。 -對多個濃度重復此操作，獲得ηr,0對濃度的關系圖，隨后可以將其導出，并在軟件之外進行分析。注意：還可以使用平行板或同軸圓筒夾具。如果材料可能顯示出壁滑效應，則應考慮使用經表面噴砂處理的夾具。尺寸較大的夾具適用于較低扭矩下的測量，這類情況在較低的頻率下更易于遇到。建議在這些測試中使用溶劑阱，因為溶劑（例如水）在測量系統邊緣周圍的蒸發會使測試失效，尤其在測試溫度較高的情況下。 參考文獻 [1] Barnes, Hutton & Walters, An Introduction to Rheology-Barnes [2] Ronald G. Larson, The Structure & Rheology of Complex Fluids

壓敏膠（PSAs）的復合流變性能預測

壓敏膠（PSAs）是一種復雜的膠體體系，通常包含兩種主要組分，其一為起到粘合作用的增粘劑，其二為有助于增粘劑流動的乳膠。此外，許多添加劑可以用來改善膠的性能，如抗濕性、儲存時的穩定性、及如何覆蓋基材并與基材表面更好地融合。 制備壓敏膠時，需要將許多組分混合在一起。增粘劑乳液和水性乳膠及其他組分相混合，得到待涂覆的粘合劑。為此，需要了解每種組分的流變性能，以確定其通過泵輸送的能力。對整個PSA的性能進行表征，有助于確定泵輸送和過濾性能。 本文測試并對比了3種壓敏膠。利用Kinexus旋轉流變儀（配有Peltier板盒，40mm/1o錐板測試系統）進行旋轉流變測試，采用rSpace軟件內置的標準程序測試。采用標準流程加載樣品，確保對所有樣品進行一致、可控的加載。所有流變測試均在25℃下進行。通過輸入的管道半徑、長度及體積流率，自動計算管道中流體的相對剪切速率，這是測試程序的一部分。測試所用剪切速率起始值為計算值的1/2，終止值為計算值的2倍，利用冪律模型擬合得到流動曲線。 從圖二可以看出，粘合劑3的粘度最大，因此泵輸送和混合的難度最大，其次是粘合劑2，粘合劑1的粘度ZUI低。與其他兩個樣品相比，粘合劑3的n值較低，在較高的剪切速率下泵輸送會更容易一些。通過提高泵的剪切速率，可以降低材料的粘度，有助于ZUI大程度降低泵輸送故障。對于剪切致稀指數較?。?span style="font-family:Arial">n<<1）的材料，這是一個非常有效的辦法。高粘度樣品（如樣品3）比低粘度的樣品更難進行泵輸送，除非其具有非常小的剪切致稀指數。 在進行工廠試驗之前，先對配方進行分析，評估其泵輸送能力和混合能力。通過測試、比較相似配方的性能，確定添加劑的最佳配方組合，從而優化生產過程中的泵輸送和混合能力。

在旋轉流變儀上使用觸變性測試定量評估擠出或噴涂后的粘度恢復

許多消費產品包裝在管或者瓶中，其使用方法牽涉到以泵送的方式讓產品通過噴嘴。這類產品多表現為剪切變稀特性，在擠出過程中，由于剪切速率的增加導致粘度下降，然后在離開孔口后，隨著剪切速率的降低，粘度恢復。此過程涉及的剪切速率與孔口半徑r、體積流速Q相關，可由右圖一方程式表示。 參數n是冪律指數，對于牛頓流體為1，對于非牛頓流體為0 - 1之間。對樣品進行變剪切速率測試，再使用冪律模型對數據進行擬合，可得到這一數值。通過測量體積流速（在一定時間內擠出的體積）和孔的內半徑，可以估算擠出過程的相關剪切速率。該值可以輸入到步階式剪切速率測試（圖2）中。測試首先在一定的時間內以低剪切速率剪切樣品（模擬擠出之前），然后再提高到目標剪切速率（模擬擠出過程）。隨著剪切速率下降到其初始值，粘度逐漸恢復。該測試展示了樣品在擠出后的粘度恢復快慢，并與產品使用過程中的厚度或粘度相關。 可以通過在第一階段結束時測量最終粘度，以及在第三階段計算粘度恢復到一定比例所花費的時間，來對觸變性進行量化表征。該數值可用于產品或配方之間的比較，廣泛地應用于各個行業。 在與產品使用過程中的擠出相關的剪切速率條件下，評估了牙膏和潤膚露的粘度恢復特性。測量使用Kinexus旋轉流變儀，Peltier溫控單元，糙面平行板夾具，以及rSpace軟件中標準的預配置程序。使用標準的裝樣步驟，以確保兩個樣品都經歷一致且可控的裝樣方式。所有流變學測量均在25°C下進行。輸入擠出體積，擠出時間和孔徑半徑，可以自動計算出相關的擠出剪切速率，并將其作為測試程序的一部分。在步階式剪切速率測試中，以該計算值作為中間階段的剪切速率，其前后使用0.1s-1的恒定剪切速率。自動測定產品恢復90％原始粘度所需時間，并在測試結束時報告。 使用自動計算器，計算了產品擠出時的剪切速率為：牙膏為34 s-1，潤膚露為840 s-1。在步階測試的中間階段應用了這些剪切速率。圖2顯示了牙膏的測試結果。 顯然，這是一種高度觸變性的材料，因為它無法在測試時間內恢復其結構，大約需要6分鐘才能恢復到其原始粘度的70％。 相比之下，圖3中所示的潤膚露幾乎可以恢復其原始粘度，并且僅需7秒即可獲得與牙膏相同百分比的恢復，恢復到90％也僅需23秒即可。該材料可歸為基本沒有觸變性。 對于消費者來說，這意味著潤膚露在與皮膚接觸后會很快重組結構，這可以防止過度鋪展或可能發生的滴落。牙膏在刷牙之前停留在牙刷上的粘度較低，這將使其更易于在口腔中分布開，并可能影響感官特性。當然，牙膏的粘度也不能低到可以流過刷毛、或在刷毛上下垂的程度。 對牙膏和潤膚露進行了三步剪切速率測試，用來評估分別從管和瓶中擠出后的粘度恢復程度。牙膏顯示出高度的觸變性，需要6分鐘才能恢復其原始粘度的70％。然而潤膚露僅需7秒即可達到相同程度的恢復，兩相比較，可以認為潤膚露是非觸變性的。