卡波凝膠的流變學性質研究

羅海英, 郭 敬

(廣州天賜高新材料股份有限公司，廣東 廣州 510760)

卡波姆(Carbomer)是丙烯酸或丙烯酸酯與烯丙基醚化學交聯的高分子聚合物，它是一種新型的高分子材料和優良的要用輔料，且只需要很低的濃度就可以形成高粘度的凝膠[1]。因而被廣泛應用于化妝品、藥品和涂料等領域中[2-4]。其中，流變學特性[5-8]是卡波姆的最重要特性之一，本文通過研究對卡波姆的流變學性質以及影響其流變學性質的因素，為其在相關方面的應用提供指導意義。

1 儀器與試劑

儀器：安東帕MCR-302旋轉流變儀，錐板轉子CP50-1(轉子直徑為50 mm，角度為1°)。

試劑：市售卡波，去離子水、氫氧化鈉、檸檬酸。

2 結果與討論

2.1 樣品制備和測試方法

不同pH粘度考察：用去離子水配置0.5%的卡波溶液，通過加入氫氧化鈉和檸檬酸調節卡波的pH，并檢測不同pH下的卡波粘度。

不同卡波濃度的粘度考察：去離子水配制成含量分別為0.1%、0.2%、0.5%、1%、1.2%、1.5%、1.8%、2.0%、2.2%、2.5%、2.8%和3.0%的卡波凝膠，并用NaOH溶液將pH調至8。

粘度-剪切速率測試：取不同濃度的樣品約1 mL樣品置于平板模具上，使用CP50-1轉子，溫度為25 ℃，剪切速率掃描范圍0.01～100 s-1，記錄粘度-剪切速率曲線。

模量-頻率測試：取不同濃度的樣品約1 mL樣品置于平板模具上，使用CP50-1轉子，溫度為25 ℃，振幅為0.1%，頻率掃描范圍為0.1～100 rad/s，記錄模量-頻率曲線。

2.2 卡波凝膠不同pH下的粘度考察

濃度為0.5%的卡波溶液，用氫氧化鈉和檸檬酸調節卡波的pH，在25 ℃的條件下，檢測不同pH下的卡波凝膠粘度，結果如圖1所示。從圖1中可以看出，卡波凝膠粘度隨pH的增大先呈現增加趨勢然后趨于平穩，再降低的趨勢，pH在7～9之間時，粘度處于平穩和最高的狀態。

圖1 卡波凝膠在不同pH下的粘度曲線

2.3 卡波凝膠不同濃度下的粘度考察

濃度為0.1%、0.2%、0.5%、1%、1.2%、1.5%、1.8%、2.0%、2.2%、2.5%、2.8%和3.0%的卡波溶液，用氫氧化鈉調節pH為8。在25 ℃條件下測試其粘度，其數據如圖2所示，在同一pH條件下，粘度隨著濃度的增加而增加。因此剪切速率和頻率的考察選取部分濃度范圍進行分析。

圖2 卡波凝膠在不同濃度下的粘度曲線

2.4 不同濃度卡波凝膠的粘度-剪切速率測試

對0.1%、0.2%、0.5%、1%四種濃度樣品在25 ℃下，剪切速率為0.01～100 s-1的范圍進行粘度進行了測試，粘度-剪切速率掃描曲線見圖3。

采用冪律模型對曲線進行擬合，結果見表1。

擬合方程如下：

τ=K·γn

式中：τ——剪切應力，單位：Pa

K——稠度系數，單位：Pa·sn

γ——剪切速率，單位：s-1

n——流性指數，無單位

圖3 不同濃度卡波凝膠的粘度-剪切速率測試

表1 不同濃度卡波凝膠的擬合結果

當n=1時，樣品為牛頓流體，即樣品粘度不隨剪切速率變化；當n<1時，樣品為假塑性流體，表現出剪切變稀的性質；當n>1時，樣品為漲塑性流體，表現出剪切增稠的性質。

從測試結果可以看出，不同濃度的卡波凝膠的粘度均隨剪切速率的增大而降低，表現出了明顯的剪切變稀性質，是典型的假塑性流體。并且隨著卡波濃度的增大，卡波凝膠的流性指數變小，表現出更為強烈的剪切變稀行為。

2.5 不同濃度卡波凝膠的模量-頻率測試

頻率掃描是指選擇在線性粘彈區內的振幅，固定振幅，測試樣品的彈性/損耗模量在不同振蕩頻率下變化，通過不同頻率下的模量值可以預測樣品長期或短期的變化。四種不同濃度的樣品其頻率掃描結果見圖5，從圖5中可以看出，卡波凝膠的彈性模量及損耗模量均隨著濃度的提高而增大， 但是這種提升在低濃度下更為明顯，0.1%的凝膠和0.2%的凝膠彈性模量相差了將近5倍，而0.5%的凝膠和1%的凝膠彈性模量差別則僅為20%左右。但是0.2%，0.5%，1.0%濃度的卡波凝膠的損耗因子大致相等，均明顯低于0.1%濃度的卡波凝膠，這說明當卡波凝膠的濃度超過某個值后，增加卡波濃度并不能使凝膠表現更強烈的固體行為。

圖4 不同濃度卡波凝膠的頻率掃描測試

圖5 不同濃度卡波凝膠的損耗因子

3 結 論

卡波作為化妝品和醫藥中常用的懸浮劑和增稠劑，其流變性能及其重要，本文測試了不同濃度卡波的流變性質，隨著濃度的增加粘度增加，隨著pH的提高呈現出先增后平緩再降低的趨勢，同時還呈現了剪切變稀的假塑性流體的性質等流變性的規律，為后續相關應用和研究提供了一定參考。