응력 Ramp를 이용한 항복 응력을 갖는 고농도 에멀젼의 저장 안정성 예측

응력 Ramp를 이용한 항복 응력을 갖는 

고농도 에멀젼의 저장 안정성 예측

 

산업 개요

 

  개인 미용 및 위생 부문에는 페이스 크림, 바디 로션, 계면 활성제 기반 세척제 등 서로 다른 유동학적 특성을 가진 다양한 피부 미용 제품들이 포함된다. 그러한 제품들은 계면활성제, 왁스, 오일, 폴리머, 향수 등 다양한 제형 성분들을 종종 포함하는 복잡한 유변학적 유체들이다.

 

 

 

요약

 

   에멀젼 제품의 장기적 안정성에 대한 평가는 지루하고 시간이 많이 소요될 수 있다. 그러나 그러한 평가는 제품의 품질 표준 충족을 위해 필수적이다. 

 

   제조자들은 계면 장력의 최소화, 분산상의 입체적 또는 정전기적 반발력의 증가, 연속상의 점도 증가 등의 효과들을 결합함으로써 안정성을 달성할 수 있다. 희석 에멀젼의 경우, 위와 같은 요소들의 결합 효과는 제로전단점도(방울들이 합쳐지거나 분리되는 속도)에 반영될 수 있다. 

 

   농도가 더 높은 에멀젼의 경우, 작은 방울들은 분산상 상호작용 또는 입자 막힘현상을 통해서 망 구조를 형성할 수 있다. 여기에서, 안정성은 망/상호작용적 구조의 강도와 관련이 있으며 항복 응력에 의해 수량화될 수 있다.

 

   열역학적 안정성과 관련하여, 항복 응력은 중력과 부력의 영향을 받을 때 분산상에 따른 응력보다 커야 한다. 이는 다음과 같은 방정식으로 주어진다.

 

 

 

 

 

   Multiple creep 시험, Oscillation amplitude sweep 시험, steady shear 시험 등을 포함하여 항복 응력의 파악을 위한 많은 실험적 시험이 있다. Steady shear 시험은 Bingham, Herschel Buckley, Casson 모델 등 적합한 모델의 적용을 통해 실행된다.

 

   그러나 항복 응력 파악을 위한 가장 신속하고 쉬운 방법들 중의 하나는 shear stress sweep를 실행하고 점도의 정점이 관찰되는 응력을 파악하는 것이다. 점도가 정점에 도달하기 전에, 재료에 탄성 변형이 발생한다. 그러므로 이러한 정점은 탄성적 구조가 와해되고(휘어지거나 부서짐) 재료의 흐름이 시작되는 점이다. 시스템의 안정을 위해서 항복 응력은 특정 시스템에 의한 응력을 견딜 수 있어야 할 뿐만 아니라 운송과 저장시 발생하는 응력도 견딜 만큼 충분해야 한다. 그러나 실제적 관점에서 항복 응력은 용기에서 펌핑하는 등의 사용과 제조 시에 문제를 초래하지 않을 만큼 충분히 낮아야 한다.

 

 

실험

 

   rSolution sequence Skin_Cream_0005-1은 stress ramp를 통한 점도 측정과 항복 응력 파악을 위한 정점 분석을 위해 만들어졌다. 이 특정 실험에서 두 개의 바디로션이 평가되었다. 건성 피부용 로션과 일반 피부용 로션은 농도와 오일상 조성이 다르다.

 

 

결과

 


   그림 1두 개의 로션들을 비교한 것이다. 건성 피부용 로션의 경우, 시스템으로부터의 탄성거동은 점도가 약 3,000Pas이고 항복 응력이 약 30Pa로 매우 크다. 일반 피부용 로션의 경우, 점도 정점이 상당히 낮아지며 이러한 정점의 하강은 관찰된 항복 응력의 하강에 부수적으로 발생한다.

 

 

 

   그림 2정점 분석의 결과를 보여준다. 이는 항복 응력을 건성 피부용 로션은 27Pa, 일반 피부용 로션은 4.5Pa로 판정한다. 분명히, 건성 피부용 제품은 일반 피부용 제품보다 구조가 훨씬 더 강력한데, 그 주된 원인은 제품에 함유된 연화제의 농도가 더 높고 종류가 다르며 해당 상 부피가 더 높기 때문이다.

 

   결과적으로, 건성 피부용 제품과 일반 피부용 제품 모두 분산상(Eq 1)에 의해 시스템에 가해지는 응력과 외부 응력(운반시 진동 등)의 총합이 측정된 항복 응력보다 낮으면 더 안정적으로 됨에도 불구하고, 건성 피부용 제품은 제품의 사용주기 동안 외부 응력에 대하여 더욱 안정적인 것으로 예상된다. 항복 응력은 온도의 변화에 따라 변한다는 점을 유념하고, 이는 시험 조건의 일부분 으로 고려되어야 한다.

 

 

결론

 

   보습 크림 또는 로션의 항복 응력은 shear stress ramp시험을 통해 알 수 있다. 분산상(Eq 1)에 의해 시스템에 가해지는 응력과 외부 응력(운반시 진동 등)의 총합이 측정된 항복 응력 보다 낮으면 건성 피부용 제품과 일반 피부용 제품 모두 안정됨에도 불구하고, shear stress ramp시험을 활용할 때 건성 피부 로션은 일반 피부를 위해 만들어진 제품보다 항복 응력이 훨씬 더 높은 것으로 나타났다.

 

 

 

액세서리 옵션

 

   이 Sequence는 parallel plate 또는 serrated parallel plate geometry 를 사용하도록 만들어졌다.

 

Sequence 설명

이 Sequence 다음으로 구성된다.

– Sample_0014-1 표준 load sample sequence all geometry – with choice to load or not.

시료 로딩

 

– Shear stress ramp

전단강도 램프 구동

 

– Viscometry stress ramp에 대한 항복 응력 분석

항복 응력의 파악을 위해 응력 램프의 정점 분석을 실행함

 

– Sample_0012-1 Unload sample plates and cones

시료 언로딩

 

 

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