簡(jiǎn)介
化妝品產(chǎn)品的配方非常復(fù)雜，并且各類活性成分會(huì)起到重要作用。而消費(fèi)者則期望某一大類的膏霜產(chǎn)品具備相同的質(zhì)感，無(wú)論其中的特殊成分是蘆薈，檸檬草，牛奶還是蜂蜜。因此，開(kāi)發(fā)能被消費(fèi)者接受或者期待的質(zhì)感的產(chǎn)品是化妝品配方工藝中重要的挑戰(zhàn)之一。測(cè)試一種乳液化妝品的流變性能則是這個(gè)產(chǎn)品質(zhì)控過(guò)程中的重要一環(huán)。
乳液化妝品流變測(cè)試的典型參數(shù)基本是粘度，觸變性和屈服應(yīng)力。產(chǎn)品的粘度與其各類性能相關(guān)，取決于應(yīng)用的剪切速率范圍。例如，在皮膚上涂抹的感覺(jué)對(duì)應(yīng)于高剪切速率下的粘度大小，而儲(chǔ)存穩(wěn)定性則依賴于低剪切速率下的粘度。
一款乳液的屈服應(yīng)力則決定了其儲(chǔ)存穩(wěn)定性及外觀和感覺(jué)。罐裝出售的乳霜需要較高的屈服應(yīng)力，消費(fèi)者通常希望能用手指從罐中將其取出并穩(wěn)定在手上；對(duì)于瓶裝的護(hù)膚液來(lái)說(shuō)，消費(fèi)者則期望其能夠像液體一樣，這就要求其屈服應(yīng)力盡可能的小。如果測(cè)試這些不同的流變性能，則需要一臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)各種測(cè)試方法并且具備寬廣測(cè)試范圍的質(zhì)控型粘度計(jì)。為了簡(jiǎn)單可靠的完成各類質(zhì)控流變測(cè)試，控流變測(cè)試，賽默飛哈克Viscotest iQ 智能流變儀（圖1）應(yīng)運(yùn)而生。而這臺(tái)獨(dú)特的儀器在質(zhì)控表現(xiàn)方面具有很多新的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)，比如，它的靈敏度的高度提升保證了其可以使用更小的測(cè)量夾具，并可以節(jié)約用戶的樣品以及溫度平衡的時(shí)間和清理時(shí)間。
圖 1：Thermo賽默飛HAAKE哈克 Viscotester iQ 智能流變儀
實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
本次實(shí)驗(yàn)選擇的兩個(gè)樣品分別是一種乳霜和一種護(hù)膚液實(shí)驗(yàn)采用直徑 35 毫米平行板夾具，以 1 毫米的測(cè)量間隙進(jìn)行，以減小樣品結(jié)構(gòu)在加載過(guò)程中受到的破壞。相對(duì)于同軸圓筒夾具，35mm 平行板只需要大約 1 毫升，并可以節(jié)約每次裝樣及清理時(shí)間。在測(cè)試之前，將少量樣品先放置在測(cè)量下板上，然后小心的將測(cè)量上板降到測(cè)量間隙，以免對(duì)樣品造成不必要的預(yù)剪切。后，將樣品罩放置在測(cè)量系統(tǒng)上，可以提高溫控精度及減少蒸發(fā)。
哈克RheoWin Job
當(dāng)測(cè)量上板到達(dá)測(cè)量位時(shí)，開(kāi)始使用賽默飛 哈克RheoWin軟件進(jìn)行操作 . 測(cè)試程序部分是實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置。對(duì)于這兩種樣品，只是簡(jiǎn)單的進(jìn)行等待時(shí)間設(shè)置，給予樣品足夠的松弛時(shí)間并且達(dá)到測(cè)試溫度。雖然只是設(shè)置一個(gè)等待時(shí)間，但是仍然需要將其放在整個(gè)測(cè)試程序中，以免忘記并且使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)以相同條件進(jìn)行，保證測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性。測(cè)試程序的下一部分為測(cè)試環(huán)節(jié)，后一部分為數(shù)據(jù)評(píng)估，打印或者輸出電子格式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
粘度
測(cè)試粘度的方法測(cè)試樣品的穩(wěn)態(tài)粘度，例如穩(wěn)態(tài)粘度隨剪切速率的變化。與瞬時(shí)粘度相比，穩(wěn)態(tài)粘度與時(shí)間效應(yīng)及剪切速率變化的斜率無(wú)關(guān)。在 4 個(gè)數(shù)量級(jí)的剪切速率范圍內(nèi)，兩種樣品的粘度都表現(xiàn)出明顯的剪切變稀行為，如圖 2 所示。與預(yù)期的一樣，乳霜在低剪切速率下表現(xiàn)出更高的粘度但是其剪切變形行為也更加明顯。在整個(gè)測(cè)試剪切速率范圍內(nèi)，乳霜的粘度下降了幾乎 500 倍，而護(hù)膚液的粘度下降率則只有 120 倍。根據(jù)實(shí)驗(yàn)高剪切速率下粘度結(jié)果可以推測(cè)出，當(dāng)剪切速率超過(guò) 2000s-1 時(shí)，兩種樣品的粘度應(yīng)該幾乎一樣。這并不是偶然現(xiàn)象，因?yàn)閷⑷樗蛘咦o(hù)膚液涂在皮膚上時(shí)所產(chǎn)生的的剪切速率就是在這個(gè)范圍內(nèi)，而此時(shí)則是皮膚感覺(jué)好的，因此兩種產(chǎn)品在這個(gè)條件下的粘度應(yīng)該一樣。觸變性在質(zhì)控中，產(chǎn)品的觸變性行為通常使用“觸變環(huán)”來(lái)表征。這種測(cè)試方法與其他方法相比的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)試時(shí)間短。此方法包含三個(gè)步驟，剪切速率從 0 上升到高值（本實(shí)驗(yàn)中采用 200s-1），然后在此剪切速率下平衡一段時(shí)間，再將剪切速率降低到 0（圖 3）。通常，剪切速率上升和下降的時(shí)間是一致的，而穩(wěn)定時(shí)間則需要足夠長(zhǎng)以使得樣品的粘度在剪切速率下降之前不再變化。然后通過(guò)計(jì)算上升曲線和下降曲線之間圍城的不規(guī)則“環(huán)”裝的面積來(lái)評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果。觸變環(huán)面積越大，樣品的觸變性越強(qiáng)。但是請(qǐng)注意，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果完全取決于實(shí)驗(yàn)參數(shù)，比如大剪切速率以及剪切速率變化斜率。只有當(dāng)剪切速率設(shè)置相同時(shí)（如圖 3），不同測(cè)試結(jié)果才可以相互比較。圖4 給出了兩種樣品的觸變性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，很明顯，乳霜是具有一定觸變性的，而護(hù)膚液在完全沒(méi)有。
圖 2：兩種樣品的粘度及應(yīng)力曲線。
圖 3：觸變環(huán)實(shí)驗(yàn)的剪切速率設(shè)置方法
圖 4：兩種樣品觸變環(huán)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果
屈服應(yīng)力
如果一個(gè)材料具有屈服應(yīng)力，它在低于其屈服應(yīng)力的剪切應(yīng)力作用下會(huì)表現(xiàn)出彈性的性質(zhì)，當(dāng)剪切應(yīng)力高于屈服應(yīng)力時(shí)，則表現(xiàn)為液體的特性。因此，測(cè)試樣品是否具有屈服應(yīng)力以及其大小的好方法是直接線性增加剪切應(yīng)力，然后觀察樣品性質(zhì)的變化 [1]。然后根據(jù)哈克RheoWin軟件的計(jì)算功來(lái)得到相應(yīng)的屈服應(yīng)力的評(píng)估數(shù)據(jù)（圖 5）。使用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，樣品在屈服應(yīng)力前后的性質(zhì)都可以被記錄下來(lái)，而不用去進(jìn)行額外的外推，這樣可以大大提高測(cè)試重復(fù)性以及計(jì)算數(shù)據(jù)的可靠性。從數(shù)據(jù)上看，護(hù)膚液幾乎沒(méi)有屈服應(yīng)力，而乳霜?jiǎng)t很明顯屈服應(yīng)力，大約為 110Pa。
圖 5：乳霜樣品的形變隨剪切應(yīng)力的變化
總結(jié)
賽默飛哈克Viscotester iQ 智能流變儀是一款簡(jiǎn)潔緊湊的儀器，并將靈敏度及測(cè)試能力結(jié)合，通過(guò)控制速率和控制應(yīng)力的方法在很寬的范圍內(nèi)來(lái)進(jìn)行各種樣品的質(zhì)控測(cè)試。對(duì)于乳液化妝品，平行板是非常有效的測(cè)試夾具，一來(lái)可以減少樣品的用量，二來(lái)可以有效降低樣品在加樣過(guò)程中的破壞，并且減少溫度平衡時(shí)間及樣品清理時(shí)間。本報(bào)告中高質(zhì)量的測(cè)試結(jié)果提供了一個(gè)很好的數(shù)據(jù)平臺(tái)，以便通過(guò)不同的方法及模型來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
參考文獻(xiàn)
1. DIN Technical Report No. 143 of the NPF/NAB-AK 21.1 “Rheology“ (Pigments and extenders)
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