Reologia interfacciale
Un’interfaccia è la superficie di contatto tra due fasi immiscibili (ad es. l’interfaccia acqua-olio). Il sistema di reologia interfacciale (IRS) è utilizzato per misurare le proprietà reologiche di uno strato interfacciale tra due liquidi o tra un liquido e un gas, come l’aria. Consente di studiare gli effetti di diversi tensioattivi sulla stabilità dello strato interfacciale (ad es. nella formulazione di emulsioni o schiume oppure nella stabilità delle gocce) e di eseguire misure reologiche anche su strutture interfacciali molto deboli.
Contesto
In combinazione con un reometro MCR, l'IRS consente misure reologiche bidimensionali su film interfacciali alle interfacce aria/liquido e liquido/liquido.
In queste misure, lo sforzo di taglio viene espresso in termini di sforzo di taglio interfacciale τs, con [τs] = Pa·m. La viscosità viene espressa in termini di viscosità di taglio interfacciale ηs secondo la relazione: τs = ηs · γ. La viscosità di taglio interfacciale si esprime in [ηs] = Pa·s·m = N·s/m oppure in poise superficiale.
Un apposito sistema di misura viene collocato all'interfaccia e misura film adsorbiti o stesi (ad es. film formati da proteine o tensioattivi).
Le due principali geometrie di misura impiegate nella reologia interfacciale sono:
- Geometria a bicono:
- misura di interfacce liquido-liquido (acqua-olio) e acqua-aria
- Campo di taglio ben definito
- Misura di viscosità elevate
- Anello a doppia parete (DWR):
- misura di interfacce liquido-gas (aria); la misura di interfacce liquido-liquido (acqua-olio) è possibile con alcune limitazioni
- Campo di taglio ben definito
- Influenza ridotta della sottofase (numero di Boussinesq elevato)
Nota: la reologia di taglio interfacciale è significativa solo in presenza di un film. Esistono due metodi principali per formare film interfacciali: per spandimento o per adsorbimento.
Film ottenuti per spandimento (principalmente per tensioattivi a basso peso molecolare) si preparano come segue:
- Dissoluzione in un solvente di spandimento (ad es. esano, etanolo o cloroformio)
- Spandimento diretto della soluzione sulla superficie dell’acqua mediante microsiringa
- Attesa fino alla completa evaporazione del solvente
- Versamento della fase oleosa sopra il film di tensioattivo
Film adsorbiti (ad es. per strati interfaciali proteici) si formano per adsorbimento dalla fase bulk all’interfaccia. La preparazione avviene come segue:
- Dissoluzione delle proteine in acqua distillata
- Versamento delicato della fase oleosa sulla soluzione acquosa di proteine
L’IRS, abbinato a MCR e a una geometria a bicono o DWR, consente di eseguire misure reologiche interfacciali anche su strutture interfacciali molto deboli. Inoltre, la geometria a bicono consente di misurare anche viscosità interfacciali elevate.
Le consolidate prove reologiche standard forniscono dati grezzi, dai quali è poi possibile ricavare le proprietà interfacciali. In fase di post-elaborazione, l’analisi idrodinamica del campo di flusso sottrae il contributo della fase bulk e della fase sovrastante e determina le proprietà rilevanti dello strato interfacciale misurato. Le misure possono essere effettuate in modalità rotazionale e oscillatoria e consentono, ad esempio, di acquisire curve di flusso, eseguire prove di creep sullo strato interfacciale oppure condurre prove oscillatorie durante la formazione del film.
Gli elementi Peltier consentono il controllo della temperatura in un intervallo compreso tra 5 °C e 70 °C; il sensore brevettato di forza normale nel cuscinetto ad aria del reometro MCR permette il posizionamento preciso di qualsiasi geometria all’interfaccia.
Prove tipiche di reologia interfacciale:
- Prove in funzione del tempo per monitorare la formazione del film interfacciale
- Curve di flusso
- Sweep di ampiezza
- Sweep di frequenza
Applicazioni tipiche:
- Settore alimentare: emulsioni e schiume
- Prodotti di consumo: emulsioni, schiume e tensioattivi
- Settore farmaceutico: incapsulazione e rilascio di farmaci
- Prodotti dell’industria petrolifera: tensioattivi, agenti riduttori d’attrito e sistemi acqua-olio
- Monostrati di Langmuir: film all’interfaccia acqua-aria
Esempio di misura
La figura seguente illustra una misura rappresentativa per lo studio delle proprietà reologiche interfacciali della crema di caffè. Mostra la formazione del film dello stesso campione di caffè a tre diverse concentrazioni. A deformazione e frequenza costanti, è possibile monitorare l'adsorbimento e la formazione della rete delle specie tensioattive all'interfaccia liquido-aria. A concentrazioni più elevate, il film sviluppa elasticità in tempi più brevi. Nel caso della concentrazione più bassa, i moduli continuano ad aumentare per un periodo più lungo e, al termine dell'esperimento, non hanno ancora raggiunto un plateau. Ciò indica che, all'aumentare della concentrazione della polvere di caffè, la formazione del film è più rapida.
