德国NETZSCH耐驰旋转流变仪

在旋转流变仪上使用温度循环测试分析产品的热稳定性

评估产品的长时间稳定性 - 例如个人护理与居家产品，食品，饮料，油漆，油墨，涂料等 - 可能是既乏味又耗时的过程，必须将产品的整个使用寿命中可能遇到的各种环境条件纳入考虑。当在卡车中运输时，或者存储于仓库中时，这类产品经常可能暴露在从零下到高达50℃的温度范围内。在这些条件下，产品可能变质，产生外观上的改变，或者失效。 为了测定这类产品的温度稳定性，需要在一系列的温度循环下监控产品的流变行为。通过监控复数模量（G*）对温度的函数关系，可以对此进行很好的评估。对于热稳定的材料，应该显示相似的循环行为，因为微观结构不会改变。对于热不稳定的样品，温度循环将导致在每一循环下，材料的复数模量随温度的函数关系发生变化。本应用实例显示了对于两种护肤霜产品配方，测定热稳定性的方法与得到的数据。 在10…50℃的温度范围内测定了两种护肤霜产品的热稳定性。使用Kinexus旋转流变仪进行流变测量，使用Peltier板盒+锥板测量系统，并使用在rSpace软件中的标准预配置的测量程序。使用标准的装样程序，以确保样品遵循一致且可控的装样方法。执行了应变控制的振幅扫描，以测量线性粘弹性区域（LVER）的宽度，并确定合适的将在后续温度扫描测试中使用的应力值（LVER测定由rSpace软件自动进行，测得的应变数值将应用到测量程序的下一阶段中）。执行了单频应变控制的温度扫描，温度范围设置为产品在运输与储存过程中可能遇到的极限温度范围 -- 本例中为10到50℃。在设置的温度上下限之间进行扫描，并定义了循环数。产品的热稳定性通过比较G*对温度的图谱得到量化，并应用曲线统计以分析不同曲线的数据差异，评价曲线对设定限值的偏离程度。例如，取决于产品的需求，在整个数据系列中，若所有数据点的数值偏差 < 5%，可以视为热稳定；而 > 5 % 的偏差可视为热不稳定。 以下显示了两个重复热循环下复数模量对温度的图谱。图1为样品A，图2为样品B。对于样品A，两个温度循环的曲线显示出良好的重叠性，这由rSpace软件的统计分析输出中可以得到确认，其中第二循环的重复数据均在±5%公差范围内。按照该设定的阈值，样品A是一种热稳定的材料。但对于样品B，很明显地存在循环数据上的差异。对于两个温度循环，特别是第二循环的下行部分，复数模量有一个明显的上升。应用相同的曲线统计方法，样品B的重复的数据超出±5%的阈值限值。这表明样品B是一种热不稳定的材料。对两个护肤霜样品的测试结果表明，可以通过在单一频率下进行温度循环测试，确定产品的热稳定性。在两个测试样品中，样品A呈现热稳定，不会在运输与储存过程中降解。而样品B热不稳定，更倾向于在运输与储存过程中，在 ji duan 的温度条件下发生降解。 注：rSpace软件在实时测试过程中同样显示了相角 - 这一参数未包含在分析图谱中，但对于评估样品弹性随温度的改变很有用。参考文献 1. An Introduction to Rheology – Barnes 2. Viscoelastic Properties of Polymers – Ferry 注：本测试也可使用平行板夹具或同轴圆筒夹具 - 这些夹具更适合于含有较大颗粒的悬浮液与乳液。这类测试可能还需要使用表面粗糙的夹具，如果样品表现出壁滑倾向的话。

德国NETZSCH耐驰旋转流变仪

在旋转流变仪上使用触变性测试定量评估挤出或喷涂后的粘度恢复

许多消费产品包装在管或者瓶中，其使用方法牵涉到以泵送的方式让产品通过喷嘴。这类产品多表现为剪切变稀特性，在挤出过程中，由于剪切速率的增加导致粘度下降，然后在离开孔口后，随着剪切速率的降低，粘度恢复。此过程涉及的剪切速率与孔口半径r、体积流速Q相关，可由右图一方程式表示。 参数n是幂律指数，对于牛顿流体为1，对于非牛顿流体为0 - 1之间。对样品进行变剪切速率测试，再使用幂律模型对数据进行拟合，可得到这一数值。通过测量体积流速（在一定时间内挤出的体积）和孔的内半径，可以估算挤出过程的相关剪切速率。该值可以输入到步阶式剪切速率测试（图2）中。测试首先在一定的时间内以低剪切速率剪切样品（模拟挤出之前），然后再提高到目标剪切速率（模拟挤出过程）。随着剪切速率下降到其初始值，粘度逐渐恢复。该测试展示了样品在挤出后的粘度恢复快慢，并与产品使用过程中的厚度或粘度相关。 可以通过在第一阶段结束时测量最终粘度，以及在第三阶段计算粘度恢复到一定比例所花费的时间，来对触变性进行量化表征。该数值可用于产品或配方之间的比较，广泛地应用于各个行业。 在与产品使用过程中的挤出相关的剪切速率条件下，评估了牙膏和润肤露的粘度恢复特性。测量使用Kinexus旋转流变仪，Peltier温控单元，糙面平行板夹具，以及rSpace软件中标准的预配置程序。使用标准的装样步骤，以确保两个样品都经历一致且可控的装样方式。所有流变学测量均在25°C下进行。输入挤出体积，挤出时间和孔径半径，可以自动计算出相关的挤出剪切速率，并将其作为测试程序的一部分。在步阶式剪切速率测试中，以该计算值作为中间阶段的剪切速率，其前后使用0.1s-1的恒定剪切速率。自动测定产品恢复90％原始粘度所需时间，并在测试结束时报告。 使用自动计算器，计算了产品挤出时的剪切速率为：牙膏为34 s-1，润肤露为840 s-1。在步阶测试的中间阶段应用了这些剪切速率。图2显示了牙膏的测试结果。 显然，这是一种高度触变性的材料，因为它无法在测试时间内恢复其结构，大约需要6分钟才能恢复到其原始粘度的70％。 相比之下，图3中所示的润肤露几乎可以恢复其原始粘度，并且仅需7秒即可获得与牙膏相同百分比的恢复，恢复到90％也仅需23秒即可。该材料可归为基本没有触变性。 对于消费者来说，这意味着润肤露在与皮肤接触后会很快重组结构，这可以防止过度铺展或可能发生的滴落。牙膏在刷牙之前停留在牙刷上的粘度较低，这将使其更易于在口腔中分布开，并可能影响感官特性。当然，牙膏的粘度也不能低到可以流过刷毛、或在刷毛上下垂的程度。 对牙膏和润肤露进行了三步剪切速率测试，用来评估分别从管和瓶中挤出后的粘度恢复程度。牙膏显示出高度的触变性，需要6分钟才能恢复其原始粘度的70％。然而润肤露仅需7秒即可达到相同程度的恢复，两相比较，可以认为润肤露是非触变性的。