界面レオロジー
界面とは、互いに混和しない2つの相が接する領域です（例：水と油の界面）。 界面レオロジーシステム（IRS）は、2つの液体間、または液体と空気などの気体との間に形成される界面層のレオロジー特性を測定します。 これにより、さまざまな界面活性剤が界面層の安定性に及ぼす影響を評価できるため、エマルションやフォームの処方設計、液滴の安定性評価に役立ちます。また、きわめて弱い界面構造のレオロジー測定にも対応します。
背景
MCRレオメータと組み合わせることで、IRSは液体-気体界面および液体-液体界面における界面膜の二次元レオロジー測定を可能にします。
これらの測定では、せん断応力は界面せん断応力τsで表され、単位は[τs] = Pa·mです。 粘度は界面せん断粘度ηsで表され、その関係式はτs = ηs · γです。 界面せん断粘度の単位は[ηs] = Pa·s·m = N·s/m、または表面ポアズです。
界面に専用の測定システムを配置し、吸着膜または展開膜（例：タンパク質や界面活性剤によって形成される膜）を測定します。
界面レオロジーで使用される主な2種類の測定ジオメトリは次のとおりです：
- バイコーンジオメトリ：
- 液体-液体（水-油）界面および水-空気界面の測定
- 明確に定義されたせん断場
- 高い界面粘度の測定
- ダブルウォールリング（DWR）：
- 液体-気体（空気）界面に加え、液体-液体（水-油）界面も限定的に測定可能
- 明確に定義されたせん断場
- サブフェーズの影響が小さい（ボーシネスク数が大きい）
ご注意ください：界面せん断レオロジー測定は、界面膜が存在する場合にのみ有効です。 界面膜の代表的な形成方法は、展開法と吸着法の2つです。
展開膜は、主に低分子界面活性剤を用いて、次の手順で作製します：
- 界面活性剤を展開溶媒（例：ヘキサン、エタノール、クロロホルム）に溶解する
- その溶液をマイクロシリンジで水面に直接展開する
- 溶媒が完全に蒸発するまで待つ
- 形成された界面活性剤膜の上に油相を注ぐ
吸着膜（例：タンパク質界面層）は、バルク相から界面への吸着により形成されます。 作製手順は次のとおりです：
- タンパク質を蒸留水に溶解する
- そのタンパク質水溶液の上に油相を静かに注ぐ
MCRにバイコーンまたはDWRジオメトリを組み合わせたIRSでは、きわめて弱い界面構造でも界面レオロジー測定が可能です。 さらに、バイコーンジオメトリでは高い界面粘度の測定にも対応します。
標準的なレオロジー試験で取得した生データから、界面レオロジー特性を算出できます。 後処理では、流体力学に基づく流れ場解析により、バルク相と被覆相の寄与を差し引いて、測定対象である界面層のレオロジー特性を算出します。 測定は回転モードと振動モードで実施でき、たとえば界面層の流動曲線測定、クリープ試験、膜形成過程における振動試験が可能です。
温度はペルチェ素子により5°C～70°Cの範囲で制御されます。また、MCRレオメータのエアベアリングに搭載された特許取得済みの法線力センサーにより、界面測定用のあらゆるジオメトリを高精度に位置決めできます。
界面レオロジーで実施可能な代表的試験:
代表的な用途:
- 食品: エマルション、フォーム
- 消費財: エマルション、フォーム、界面活性剤
- 医薬品: カプセル化、薬物放出
- 石油産業: 界面活性剤、流動抵抗低減剤、油水系
- ラングミュア単分子膜: 水-空気界面に形成される膜
測定例
以下の図は、コーヒークレマの界面レオロジー特性を評価した代表的な測定例です。 同一のコーヒー試料について、3つの異なる濃度での膜形成を示しています。 一定ひずみ・一定周波数条件で測定することで、液体-気体界面での界面活性成分の吸着とネットワーク形成の進行を追跡できます。 濃度が高いほど、膜はより短時間で弾性を示します。 最も低い濃度では、モジュラスは長時間にわたって増加し、実験終了時点でもプラトー値に達していません。 これは、コーヒー粉末濃度が高いほど、膜形成が速やかに進行することを示しています。
