旋轉(zhuǎn)流變儀應用案列

在旋轉(zhuǎn)流變儀上使用溫度循環(huán)測試分析產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性

評估產(chǎn)品的長時間穩(wěn)定性 - 例如個人護理與居家產(chǎn)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(chǎn)品的整個使用壽命中可能遇到的各種環(huán)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(chǎn)品經(jīng)常可能暴露在從零下到高達50℃的溫度范圍內(nèi),。在這些條件下,，產(chǎn)品可能變質(zhì)，產(chǎn)生外觀上的改變,，或者失效,。 為了測定這類產(chǎn)品的溫度穩(wěn)定性，需要在一系列的溫度循環(huán)下監(jiān)控產(chǎn)品的流變行為,。通過監(jiān)控復數(shù)模量（G*）對溫度的函數(shù)關系,，可以對此進行很好的評估。對于熱穩(wěn)定的材料,，應該顯示相似的循環(huán)行為,，因為微觀結(jié)構(gòu)不會改變。對于熱不穩(wěn)定的樣品,，溫度循環(huán)將導致在每一循環(huán)下,，材料的復數(shù)模量隨溫度的函數(shù)關系發(fā)生變化。本應用實例顯示了對于兩種護膚霜產(chǎn)品配方,，測定熱穩(wěn)定性的方法與得到的數(shù)據(jù),。 在10…50℃的溫度范圍內(nèi)測定了兩種護膚霜產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。使用Kinexus旋轉(zhuǎn)流變儀進行流變測量,，使用Peltier板盒+錐板測量系統(tǒng),，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(zhí)行了應變控制的振幅掃描，以測量線性粘彈性區(qū)域（LVER）的寬度,，并確定合適的將在后續(xù)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(shù)值將應用到測量程序的下一階段中）。執(zhí)行了單頻應變控制的溫度掃描,，溫度范圍設置為產(chǎn)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(huán)數(shù),。產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性通過比較G*對溫度的圖譜得到量化,，并應用曲線統(tǒng)計以分析不同曲線的數(shù)據(jù)差異，評價曲線對設定限值的偏離程度,。例如,，取決于產(chǎn)品的需求，在整個數(shù)據(jù)系列中，若所有數(shù)據(jù)點的數(shù)值偏差 < 5%,，可以視為熱穩(wěn)定,；而 > 5 % 的偏差可視為熱不穩(wěn)定。 以下顯示了兩個重復熱循環(huán)下復數(shù)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(huán)的曲線顯示出良好的重疊性,，這由rSpace軟件的統(tǒng)計分析輸出中可以得到確認，其中第二循環(huán)的重復數(shù)據(jù)均在±5%公差范圍內(nèi),。按照該設定的閾值,，樣品A是一種熱穩(wěn)定的材料。但對于樣品B,，很明顯地存在循環(huán)數(shù)據(jù)上的差異,。對于兩個溫度循環(huán)，特別是第二循環(huán)的下行部分,，復數(shù)模量有一個明顯的上升,。應用相同的曲線統(tǒng)計方法，樣品B的重復的數(shù)據(jù)超出±5%的閾值限值,。這表明樣品B是一種熱不穩(wěn)定的材料,。對兩個護膚霜樣品的測試結(jié)果表明,，可以通過在單一頻率下進行溫度循環(huán)測試,，確定產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。在兩個測試樣品中,，樣品A呈現(xiàn)熱穩(wěn)定,，不會在運輸與儲存過程中降解。而樣品B熱不穩(wěn)定,，更傾向于在運輸與儲存過程中,，在JI 端的溫度條件下發(fā)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(shù)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(xiàn)出壁滑傾向的話,。

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用恒定的應力，監(jiān)測由此產(chǎn)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(xiàn)代表流動性的穩(wěn)態(tài)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(xiàn),。 對于粘彈性材料,，其響應是粘性與彈性效應的結(jié)合，如圖2所示,。其在長時間下的響應過程將體現(xiàn)它是擁有屈服應力（彈性）,，或穩(wěn)態(tài)粘滯響應（粘性）。如果材料表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)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(shù)來決定,。 實驗 -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(zhí)行了應力控制的振幅掃描，以測量線性粘彈性區(qū)域（LVER）的長度,，并確定合適的,、應用于后續(xù)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(nèi),，使用預定義的應力值，執(zhí)行了蠕變測試 -- 其最終條件設為達到一定閾值范圍內(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行估算。使用測試得到的粘度,，結(jié)合用戶輸入的變量,，以進行粒子表征。 圖3以對數(shù)坐標的形式顯示了兩種沐浴露產(chǎn)品的蠕變響應,。很明顯,，兩種產(chǎn)品表現(xiàn)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(wěn)態(tài)所需的時間尺度觀察到。這一測試設定的穩(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4以線性坐標顯示了同一測試結(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6 Pas與12 Pas。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。 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,。 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(tǒng)邊緣的蒸發(fā)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(xù)相和液滴分散相的一種分散系統(tǒng)。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(xù)相是水，分散相是油,，而在油包水乳液中,，連續(xù)相是油，而分散相是水,。油包水乳液是否轉(zhuǎn)變?yōu)樗腿橐喝Q于兩相的體積分數(shù)和乳化劑,。乳化劑是通過在油/水界面處吸附，來穩(wěn)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(shù)以及液滴尺寸至關重要,。關鍵的流變參數(shù)是粘度、法向應力,、粘彈性和屈服應力,。隨著液滴體積分數(shù)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(diào)整Φm，以得到在每一剪切速率下的最佳擬合,。隨著體積分數(shù)的增加,，可能會出現(xiàn)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(tǒng)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(lián)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(zhì)的粘度來計算不同濃度下的零剪切相對粘度,?；诹慵羟邢鄬φ扯群蜐舛戎g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?shù)據(jù)進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(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(jīng)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(tǒng)邊緣周圍的蒸發(fā)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?jié)裥浴Υ鏁r的穩(wěn)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(zhuǎn)流變儀（配有Peltier板盒,，40mm/1o錐板測試系統(tǒng)）進行旋轉(zhuǎn)流變測試,，采用rSpace軟件內(nèi)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(shù)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(shù)。 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(yōu)化生產(chǎn)過程中的泵輸送和混合能力。

在旋轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)品通過噴嘴,。這類產(chǎn)品多表現(xiàn)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(shù)n是冪律指數(shù)，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(shù)據(jù)進行擬合,，可得到這一數(shù)值,。通過測量體積流速（在一定時間內(nèi)擠出的體積）和孔的內(nèi)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(nèi)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(chǎn)品使用過程中的厚度或粘度相關,。 可以通過在第一階段結(jié)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(shù)值可用于產(chǎn)品或配方之間的比較，廣泛地應用于各個行業(yè),。 在與產(chǎn)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(zhuǎn)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(jīng)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(chǎn)品恢復90％原始粘度所需時間，并在測試結(jié)束時報告,。 使用自動計算器,，計算了產(chǎn)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(jié)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(nèi)恢復其結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu),，這可以防止過度鋪展或可能發(fā)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。