液體牙膏流變性能的研究

張 環(huán) 盧 靜 趙 爽 陸 瑜

(重慶登康口腔護理用品股份有限公司，重慶 400025)

液體牙膏作為一種新型的口腔護理用品，主要作用是清潔口腔和牙齒的作用。作為一種多相體系，屬于濃懸浮液，表現(xiàn)出復(fù)雜的流變性能故研究液體牙膏的流變性能，對指導(dǎo)產(chǎn)品的工藝配方以及產(chǎn)品質(zhì)量控制都有積極的作用。選擇了市售的4種液體牙膏，初步研究了流變性能，并分析了其流變性能的影響因素及其在實際應(yīng)用中的意義。

1 實驗方法

選擇的樣品均為進口市售樣品，均在本地超市采購，分別為Theramed X-ite 液體牙膏，倍瑞傲派繽液體牙膏，竹鹽喜馬拉雅粉鹽派繽液體牙膏，分別定義為1號樣品、2號樣品、3號樣品;1號樣品為倒立按壓式，2號及3號樣品泵壓式。

流變性能測試都是在室溫(25℃±1℃)下進行，HAKKE RS6000旋轉(zhuǎn)流變儀,美國熱電儀器有限公司；測試夾具: 30mm/0.5°椎板及30mm平板，穩(wěn)態(tài)流動試驗采用椎板，動態(tài)流動試驗采用平板進行。

①穩(wěn)態(tài)流動試驗:測試間距540μm,測試溫度25℃; 上樣后平衡5min，0.1 s-1下預(yù)剪切30 s,穩(wěn)態(tài)流動掃描范圍:0.001～1000 s-1。

②觸變環(huán)試驗：測試間距540μm,測試溫度25℃; 上樣后平衡5min，穩(wěn)態(tài)流動向上掃描范圍:100s,1～100s-1，穩(wěn)態(tài)流動向下掃描范圍:100s, 100～1s-1。

③頻率掃描試驗:測試間距800μm,測試溫度25℃,上樣后平衡5min,應(yīng)力10Pa,頻率掃描范圍0.1～10Hz。

④應(yīng)力掃描試驗:測試間距800μm,測試溫度25℃,上樣后平衡5min,頻率1Hz,應(yīng)力掃描范圍0.1～1000Pa。

2 結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)態(tài)流動試驗

穩(wěn)態(tài)流動試驗結(jié)果見圖1。三個樣品牙膏粘度都隨掃描速率的增加而降低，呈現(xiàn)剪切變稀的性能。在低剪切區(qū)域粘度差異較大，范圍從25萬～55萬mPas之間，在高剪切速率區(qū)差異逐漸縮小，粘度范圍在200～2000mPas之間。樣品1為倒立按壓式產(chǎn)品，其零剪切達到28萬mPas，確保其在倒立放置時不會流溢出管口。樣品2和樣品3具有類似的穩(wěn)態(tài)流動曲線，兩者具有很強的剪切性能，能順利保證產(chǎn)品被泵送出來。

圖1 3種液體牙膏穩(wěn)態(tài)流動掃描曲線

Herschel-Bulkley方程:τ=τ0+Kγn

τ0——零剪切應(yīng)力;

K——稠度系數(shù);

n——流態(tài)特征指數(shù)

采用Herschel-Bulkley 方程對流動曲線進行擬合[1]，擬合數(shù)據(jù)見表1。在三個樣品中樣品1具有高的零剪切應(yīng)力以及流態(tài)特征指數(shù)，剪切變稀性能最低，結(jié)合曲線中到在高剪切速率端粘度最高，樣品也表現(xiàn)出一定的拖絲性能。樣品3具有最低的流態(tài)特征指數(shù)和中等的零剪切應(yīng)力，揭示其具有最強的剪切變稀和優(yōu)良的分散性。

表1 3種液體牙膏流動曲線擬合數(shù)據(jù)

2.2 觸變環(huán)試驗

觸變性掃描試驗結(jié)果見圖2。通過軟件擬合計算出3種液體牙膏的觸變面積分別為7436Pa/s,2589 Pa/s,3199 Pa/s，觸變性1號樣品>3號樣品>2號樣品。1號樣品被剪切后整個剪切速率區(qū)域回復(fù)較慢，出現(xiàn)較強的觸變性，而在整個剪切速率區(qū)域內(nèi)上行和向行掃描曲線不重合且斜率較高，預(yù)示該牙膏對剪切較為敏感剪切后難以恢復(fù)原始狀態(tài)。2和3號樣品被剪切后回復(fù)較快，觸變性相對較低。在較高的剪切速率范圍內(nèi)上行和向行掃描曲線幾乎重合，而在低于50s-1剪切速率以下出現(xiàn)較大的觸變面積，預(yù)示在牙膏網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重新恢復(fù)和建立需要更長的時間。

圖2 3種液體牙膏觸變性掃描曲線

2.3 頻率掃描試驗

動態(tài)頻率掃描在應(yīng)力10Pa下進行，結(jié)果見圖3。樣品1 儲能模量及損耗模量G″在整個頻率掃描范圍內(nèi)G″大于G′,同時隨頻率升高而升高，顯示出很強的相關(guān)性，同時G′和G″沒有出現(xiàn)交點。樣品1主要呈現(xiàn)為液體性能，受到頻率的影響變化大認為是交聯(lián)化和結(jié)構(gòu)化低。樣品2在整個頻率掃描范圍內(nèi)儲能模量G ′和損耗模量G″非常接近, 儲能模量G ′略高于損耗模量G″，較高的頻率下出現(xiàn)交點,轉(zhuǎn)換為損耗模量G″大于儲能模量G′。樣品2的粘彈性主要呈現(xiàn)為弱凝膠性能，當(dāng)受力較高時結(jié)構(gòu)破壞而轉(zhuǎn)換為流動性能。樣品1和2顯示弱結(jié)構(gòu)體系，在這樣的體系中可能會發(fā)生沉降。樣品3在整個頻率掃描范圍內(nèi)儲能模量G ′和損耗模量G″幾乎平行, 儲能模量G ′遠高于損耗模量G″沒有出現(xiàn)交點,。樣品3的粘彈性主要呈現(xiàn)為較強的凝膠或乳膏性能，主要呈現(xiàn)為不易流動的固體狀態(tài)。

圖3 3種液體牙膏頻率掃描曲線

2.4 應(yīng)力掃描試驗

動態(tài)應(yīng)力掃描在頻率1Hz下進行，結(jié)果見圖4。

圖4 3種液體牙膏應(yīng)力掃描曲線

如圖4所示樣品在掃描范圍內(nèi)低應(yīng)力區(qū)內(nèi)G′>G″，這表明3種液體牙膏以彈性為主。在一定的應(yīng)力下，都出現(xiàn)了G′，G″下降，在出現(xiàn)交點后G″>g′，液體牙膏開始流動。3種液體牙膏的線性粘彈性區(qū)的范圍差別較大，1號樣品的G′G″交點小于1Pa，線性粘彈性區(qū)很窄，說明其結(jié)構(gòu)容易被破壞，極易流動，傾倒后通過重力作用易于流出，因此適合直立管包裝。相應(yīng)的，在擠出后牙膏滲透到刷毛中去，這種流動行為往往在液體牙膏中比較常見。而2和3號G′G″交點大于100Pa，通過手工泵壓或擠出可以牙膏開始流動，同時擠出后不會滲透到刷毛中。G′G″交點應(yīng)保持在一個較為適中的值，太高后會造成流動性困難，難以擠出或按壓泵出，影響消費者使用。而交點過低容易出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。

3 結(jié)論

研究了3種液體牙膏的流變性能。流變實驗結(jié)果表明，液體牙膏具有良好的剪切變稀較強的非牛頓流體特征。動態(tài)頻率掃描以及應(yīng)力掃描研究表明，幾種液體牙膏普遍具有以粘性為主導(dǎo)或弱凝膠性的流體特征，因包裝形式不同是液體牙膏相對于普通牙膏在粘度、稠度、以及剪切變稀等流變性能上進行大幅度的調(diào)整和改變，因此對液體牙膏應(yīng)用性能包括擠出性能、站立性、分散性與流變學(xué)性能和參數(shù)緊密相關(guān)，可進一步開展研究。