旋轉(zhuǎn)流變儀應(yīng)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(shí)間穩(wěn)定性 - 例如個(gè)人護(hù)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(shí)的過程，必須將產(chǎn)品的整個(gè)使用壽命中可能遇到的各種環(huán)境條件納入考慮。當(dāng)在卡車中運(yùn)輸時(shí)，或者存儲于倉庫中時(shí)，這類產(chǎn)品經(jīng)常可能暴露在從零下到高達(dá)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(fù)數(shù)模量（G*）對溫度的函數(shù)關(guān)系，可以對此進(jìn)行很好的評估。對于熱穩(wěn)定的材料，應(yīng)該顯示相似的循環(huán)行為，因?yàn)槲⒂^結(jié)構(gòu)不會(huì)改變。對于熱不穩(wěn)定的樣品，溫度循環(huán)將導(dǎo)致在每一循環(huán)下，材料的復(fù)數(shù)模量隨溫度的函數(shù)關(guān)系發(fā)生變化。本應(yīng)用實(shí)例顯示了對于兩種護(hù)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(hù)膚霜產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。使用Kinexus旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)預(yù)配置的測量程序。使用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)力值（LVER測定由rSpace軟件自動(dòng)進(jìn)行，測得的應(yīng)變數(shù)值將應(yīng)用到測量程序的下一階段中）。執(zhí)行了單頻應(yīng)變控制的溫度掃描，溫度范圍設(shè)置為產(chǎn)品在運(yùn)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(shè)置的溫度上下限之間進(jìn)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(yīng)用曲線統(tǒng)計(jì)以分析不同曲線的數(shù)據(jù)差異，評價(jià)曲線對設(shè)定限值的偏離程度。例如，取決于產(chǎn)品的需求，在整個(gè)數(shù)據(jù)系列中，若所有數(shù)據(jù)點(diǎn)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(gè)重復(fù)熱循環(huán)下復(fù)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(gè)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(jì)分析輸出中可以得到確認(rèn)，其中第二循環(huán)的重復(fù)數(shù)據(jù)均在±5%公差范圍內(nèi)。按照該設(shè)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(gè)溫度循環(huán)，特別是第二循環(huán)的下行部分，復(fù)數(shù)模量有一個(gè)明顯的上升。應(yīng)用相同的曲線統(tǒng)計(jì)方法，樣品B的重復(fù)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(gè)護(hù)膚霜樣品的測試結(jié)果表明，可以通過在單一頻率下進(jìn)行溫度循環(huán)測試，確定產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。在兩個(gè)測試樣品中，樣品A呈現(xiàn)熱穩(wěn)定，不會(huì)在運(yùn)輸與儲存過程中降解。而樣品B熱不穩(wěn)定，更傾向于在運(yùn)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(shí)時(shí)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(xiàn) 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(shí)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(shí)間尺度下的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)很重要，因?yàn)樽罱K任何的分散相在長的儲存時(shí)間下都會(huì)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(gè)長的時(shí)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(shí)間的變化。如圖1所示，純粹粘性的材料將顯示柔量隨時(shí)間的線性增加，即出現(xiàn)代表流動(dòng)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)。 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(shí)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(shí)間譜圖的斜率的倒數(shù)來決定。 實(shí)驗(yàn) -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(dòng)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(jì)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。 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(shí)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(shí)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(dòng)計(jì)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(dú)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(xiàn) [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?yàn)槿軇ɡ缢┰跍y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(shí)。

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?jǐn)?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(xué)認(rèn)為分散相的體積分?jǐn)?shù)以及液滴尺寸至關(guān)重要。關(guān)鍵的流變參數(shù)是粘度、法向應(yīng)力、粘彈性和屈服應(yīng)力。隨著液滴體積分?jǐn)?shù)的增加，剪切稀化的影響愈趨顯著。在參考文獻(xiàn)[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?jǐn)?shù)的增加，可能會(huì)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(dòng)。在這種情況下，系統(tǒng)被認(rèn)為是具有屈服應(yīng)力的。這在單獨(dú)的應(yīng)用文章中進(jìn)行了討論。還應(yīng)注意，該相關(guān)理論假設(shè)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(dāng)大的相體積，會(huì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)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(guān)系圖，可驗(yàn)證上述理論是否切合于所研究的乳液體系的行為。可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的提煉和分析，以考察對上述模型的匹配準(zhǔn)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(yù)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(yùn)行一個(gè)剪切應(yīng)力表，然后使用Ellis模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以確定η0和ηr,0。 -對多個(gè)濃度重復(fù)此操作，獲得ηr,0對濃度的關(guān)系圖，隨后可以將其導(dǎo)出，并在軟件之外進(jìn)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(yīng)，則應(yīng)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?yàn)槿軇ɡ缢┰跍y量系統(tǒng)邊緣周圍的蒸發(fā)會(huì)使測試失效，尤其在測試溫度較高的情況下。 參考文獻(xiàn) [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(fù)合流變性能預(yù)測

壓敏膠（PSAs）是一種復(fù)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(dòng)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(shí)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(shí)，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(gè)PSA的性能進(jìn)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)流變測試，采用rSpace軟件內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)程序測試。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。所有流變測試均在25℃下進(jìn)行。通過輸入的管道半徑、長度及體積流率，自動(dòng)計(jì)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(jì)算值的1/2，終止值為計(jì)算值的2倍，利用冪律模型擬合得到流動(dòng)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(gè)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(huì)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)較小（n<<1）的材料，這是一個(gè)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(jìn)行泵輸送，除非其具有非常小的剪切致稀指數(shù)。 在進(jìn)行工廠試驗(yàn)之前，先對配方進(jìn)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(fù)

許多消費(fèi)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(dǎo)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(fù)。此過程涉及的剪切速率與孔口半徑r、體積流速Q相關(guān)，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(jìn)行變剪切速率測試，再使用冪律模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到這一數(shù)值。通過測量體積流速（在一定時(shí)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(guān)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(shí)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(biāo)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(fù)。該測試展示了樣品在擠出后的粘度恢復(fù)快慢，并與產(chǎn)品使用過程中的厚度或粘度相關(guān)。 可以通過在第一階段結(jié)束時(shí)測量最終粘度，以及在第三階段計(jì)算粘度恢復(fù)到一定比例所花費(fèi)的時(shí)間，來對觸變性進(jìn)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(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。 在與產(chǎn)品使用過程中的擠出相關(guān)的剪切速率條件下，評估了牙膏和潤膚露的粘度恢復(fù)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(biāo)準(zhǔn)的預(yù)配置程序。使用標(biāo)準(zhǔn)的裝樣步驟，以確保兩個(gè)樣品都經(jīng)歷一致且可控的裝樣方式。所有流變學(xué)測量均在25°C下進(jìn)行。輸入擠出體積，擠出時(shí)間和孔徑半徑，可以自動(dòng)計(jì)算出相關(guān)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(jì)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(dòng)測定產(chǎn)品恢復(fù)90％原始粘度所需時(shí)間，并在測試結(jié)束時(shí)報(bào)告。 使用自動(dòng)計(jì)算器，計(jì)算了產(chǎn)品擠出時(shí)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(yīng)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?yàn)樗鼰o法在測試時(shí)間內(nèi)恢復(fù)其結(jié)構(gòu)，大約需要6分鐘才能恢復(fù)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(fù)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(fù)，恢復(fù)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(fèi)者來說，這意味著潤膚露在與皮膚接觸后會(huì)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(dāng)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(jìn)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(fù)程度。牙膏顯示出高度的觸變性，需要6分鐘才能恢復(fù)其原始粘度的70％。然而潤膚露僅需7秒即可達(dá)到相同程度的恢復(fù)，兩相比較，可以認(rèn)為潤膚露是非觸變性的。