应用案例 | 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。

样品A的复数模量G*对温度的函数关系，针对两个重复的热循环，温度范围10~50℃

（红线为循环1，蓝线为循环2）

样品B的复数模量G*对温度的函数关系，针对两个重复的热循环，温度范围10~50℃

（红线为循环1，蓝线为循环2）

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，在极端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。

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。