簡介
化妝品產(chǎn)品的配方非常復(fù)雜，并且各類活性成分會起到重要作用。而消費者則期望某一大類的膏霜產(chǎn)品具備相同的質(zhì)感，無論其中的特殊成分是蘆薈，檸檬草，牛奶還是蜂蜜。因此，開發(fā)能被消費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。測試一種乳液化妝品的流變性能則是這個產(chǎn)品質(zhì)控過程中的重要一環(huán)。
乳液化妝品流變測試的典型參數(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對應(yīng)于高剪切速率下的粘度大小，而儲存穩(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)力則決定了其儲存穩(wěn)定性及外觀和感覺。罐裝出售的乳霜需要較高的屈服應(yīng)力，消費者通常希望能用手指從罐中將其取出并穩(wěn)定在手上；對于瓶裝的護(hù)膚液來說，消費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。如果測試這些不同的流變性能，則需要一臺能夠?qū)崿F(xiàn)各種測試方法并且具備寬廣測試范圍的質(zhì)控型粘度計。為了簡單可靠的完成各類質(zhì)控流變測試，控流變測試，賽默飛哈克Viscotest iQ 智能流變儀（圖1）應(yīng)運(yùn)而生。而這臺獨特的儀器在質(zhì)控表現(xiàn)方面具有很多新的優(yōu)勢及特點，比如，它的靈敏度的高度提升保證了其可以使用更小的測量夾具，并可以節(jié)約用戶的樣品以及溫度平衡的時間和清理時間。
圖 1：Thermo賽默飛HAAKE哈克 Viscotester iQ 智能流變儀
實驗準(zhǔn)備
本次實驗選擇的兩個樣品分別是一種乳霜和一種護(hù)膚液實驗采用直徑 35 毫米平行板夾具，以 1 毫米的測量間隙進(jìn)行，以減小樣品結(jié)構(gòu)在加載過程中受到的破壞。相對于同軸圓筒夾具，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間。在測試之前，將少量樣品先放置在測量下板上，然后小心的將測量上板降到測量間隙，以免對樣品造成不必要的預(yù)剪切。后，將樣品罩放置在測量系統(tǒng)上，可以提高溫控精度及減少蒸發(fā)。
哈克RheoWin Job
當(dāng)測量上板到達(dá)測量位時，開始使用賽默飛 哈克RheoWin軟件進(jìn)行操作 . 測試程序部分是實驗條件設(shè)置。對于這兩種樣品，只是簡單的進(jìn)行等待時間設(shè)置，給予樣品足夠的松弛時間并且達(dá)到測試溫度。雖然只是設(shè)置一個等待時間，但是仍然需要將其放在整個測試程序中，以免忘記并且使得整個實驗以相同條件進(jìn)行，保證測試結(jié)果的重復(fù)性。測試程序的下一部分為測試環(huán)節(jié)，后一部分為數(shù)據(jù)評估，打印或者輸出電子格式的實驗報告。
粘度
測試粘度的方法測試樣品的穩(wěn)態(tài)粘度，例如穩(wěn)態(tài)粘度隨剪切速率的變化。與瞬時粘度相比，穩(wěn)態(tài)粘度與時間效應(yīng)及剪切速率變化的斜率無關(guān)。在 4 個數(shù)量級的剪切速率范圍內(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。在整個測試剪切速率范圍內(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)實驗高剪切速率下粘度結(jié)果可以推測出，當(dāng)剪切速率超過 2000s-1 時，兩種樣品的粘度應(yīng)該幾乎一樣。這并不是偶然現(xiàn)象，因為將乳霜或者護(hù)膚液涂在皮膚上時所產(chǎn)生的的剪切速率就是在這個范圍內(nèi)，而此時則是皮膚感覺好的，因此兩種產(chǎn)品在這個條件下的粘度應(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)”來表征。這種測試方法與其他方法相比的優(yōu)勢在于測試時間短。此方法包含三個步驟，剪切速率從 0 上升到高值（本實驗中采用 200s-1），然后在此剪切速率下平衡一段時間，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間是一致的，而穩(wěn)定時間則需要足夠長以使得樣品的粘度在剪切速率下降之前不再變化。然后通過計算上升曲線和下降曲線之間圍城的不規(guī)則“環(huán)”裝的面積來評估實驗結(jié)果。觸變環(huán)面積越大，樣品的觸變性越強(qiáng)。但是請注意，這個實驗的結(jié)果完全取決于實驗參數(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（如圖 3），不同測試結(jié)果才可以相互比較。圖4 給出了兩種樣品的觸變性實驗結(jié)果，很明顯，乳霜是具有一定觸變性的，而護(hù)膚液在完全沒有。
圖 2：兩種樣品的粘度及應(yīng)力曲線。
圖 3：觸變環(huán)實驗的剪切速率設(shè)置方法
圖 4：兩種樣品觸變環(huán)實驗的結(jié)果
屈服應(yīng)力
如果一個材料具有屈服應(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，則表現(xiàn)為液體的特性。因此，測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軟件的計算功來得到相應(yīng)的屈服應(yīng)力的評估數(shù)據(jù)（圖 5）。使用這種方法的優(yōu)點是，樣品在屈服應(yīng)力前后的性質(zhì)都可以被記錄下來，而不用去進(jìn)行額外的外推，這樣可以大大提高測試重復(fù)性以及計算數(shù)據(jù)的可靠性。從數(shù)據(jù)上看，護(hù)膚液幾乎沒有屈服應(yīng)力，而乳霜則很明顯屈服應(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潔緊湊的儀器，并將靈敏度及測試能力結(jié)合，通過控制速率和控制應(yīng)力的方法在很寬的范圍內(nèi)來進(jìn)行各種樣品的質(zhì)控測試。對于乳液化妝品，平行板是非常有效的測試夾具，一來可以減少樣品的用量，二來可以有效降低樣品在加樣過程中的破壞，并且減少溫度平衡時間及樣品清理時間。本報告中高質(zhì)量的測試結(jié)果提供了一個很好的數(shù)據(jù)平臺，以便通過不同的方法及模型來進(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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