应用案例 | 使用旋转流变仪的振荡测试分析产品结构

使用旋转流变仪的振荡测试分析产品结构

调整产品配方，使其既具有合适的性能，又具有良好的感官属性可能是一项艰巨的任务。后者尤其依赖于用户反馈，这可能会耗费大量的时间与精力。此外，仅仅依靠产品特性与流变数据，并不总是容易解释这种反馈。

为了将流变作为评估产品性能的工具，理解哪一种流变测试模式能够最好地模拟特定的应用，以及测试中适合使用什么样的参数非常重要。例如，护肤霜的涂抹与揉搓是一种高剪切速率的过程，最好使用适当剪切速率下的稳态剪切测试。护肤霜使用时的质感与储存于小瓶中时的质感不同，这一质感与材料潜在的微观结构有关，最好通过振荡测试或蠕变测试进行评估。

小应变下的振荡振幅扫描是一种评估材料质感的简单方法。它可以提供与样品刚度，拉丝性，结构强度和形变相关的重要信息。复数模量G*反映刚度，数值越大代表结构的刚度越高，而相角δ反映了弹性程度，即结构的拉丝性。这一信息可在G* ～ δ关系图中展示，如图1所示。

还可以从这种测试中得出其他信息，如分别与结构强度、结构变形程度有关的屈服应力、屈服应变。这一信息可以从弹性应力σ’（与弹性（储能）模量G’相关的应力）与应变的图中得到。弹性应力的峰值代表屈服点，在这一点上测得的应力与应变分别代表屈服应力与屈服应变，如图2所示。

结合这些信息，在开始宏观流动之前，可以预测材料对小剪切变形的响应。

这对建立样品基准，帮助进行特定的感官性能评价，或在产品中实现性能优势很有用。

实验：

- 评估许多不同的产品的结构特征差异

- 使用Kinexus流变仪，Peltier温度控制单元和40mm粗糙平行板测量夹具（可避免夹具表面的样品滑移），利用rSpace软件的标准预设序列进行流变测试

- 标准装样序列可确保样品装样具有一致性，且装样方法是可控的

- 除非有特殊说明，所有流变测试均在25℃下执行

结果与讨论：

图3为固定频率1Hz下，不同相对刚度和弹性产品的对比。由图可知，大部分的样品主要表现为弹性，相位角低于45°。然而，这些样品表现出不同程度的刚度，如身体霜的刚度是身体乳的25倍，发胶的刚度几乎是身体乳液的100倍。相反，淋浴霜主要表现为“类流体”行为，相位角接近90º，刚度相对较低，G*值仅为23Pa，而身体霜的G*约为2300Pa。

图3 在25℃下，多种食物和个人护理产品G*与δ的关系图

温度对黄油特性影响很大，在低温下油脂结晶，形成刚性、高弹性结构，而在室温下，油脂基体更软，弹性更弱，与身体霜和牙膏结构更接近。

表1为一系列产品的屈服应力和屈服应变值。注意屈服应力是描述网络结构破坏的初始应力。因为黏弹性流体（δ＞45°）没有网络结构，这种情况下的屈服应力与开始明显流动（剪切变稀）时的应力相关。

对比身体霜和身体乳，很明显，前者需要更高的应力来破坏结构。这在产品使用中很明显，如身体霜流动需要更大的驱动力。身体乳的屈服应变值更大，剪切变稀前变形更多，表明其结构延展性更强。弹性占主导的蛋黄酱有着高的屈服应力和屈服应变值，反映出其在罐子里观察到的坚韧质地。

虽然沐浴露的临界应力和应变值较高，但与蛋黄酱不同，它不具有网络结构 (δ>45º)。因此临界值与材料在流动明显增强前可承受的应力和应变有关。这有时与单纤维变形或产品拉丝有关。

黄油在冰点温度有很高的屈服应力，所以它很难洒出；然而，在25℃，由于结晶油脂基体的熔融，其屈服应力明显降低。有趣的是，正如更小的屈服应变值暗示的，在这种较高的温度下，黄油的屈服应力较低，表明结构较为脆弱。

结论：

振幅扫描测试可以提供与结构性能相关的重要信息，如刚性、拉丝性、结构强度与脆性。通过测试这些系数，与材料的性能联系，可以预测材料在小变形下的状态和行为。这种技术对表征和比较材料性能很有用。

注意：

推荐测试使用锥板或平板夹具，后者适用于含有大粒子的分散液和乳液。有些材料还要求使用锯齿状或表面粗糙的夹具，以避免材料在夹具表面滑移。