液体牙膏流变性能的研究

张 环 卢 静 赵 爽 陆 瑜

(重庆登康口腔护理用品股份有限公司，重庆 400025)

液体牙膏作为一种新型的口腔护理用品，主要作用是清洁口腔和牙齿的作用。作为一种多相体系，属于浓悬浮液，表现出复杂的流变性能故研究液体牙膏的流变性能，对指导产品的工艺配方以及产品质量控制都有积极的作用。选择了市售的4种液体牙膏，初步研究了流变性能，并分析了其流变性能的影响因素及其在实际应用中的意义。

1 实验方法

选择的样品均为进口市售样品，均在本地超市采购，分别为Theramed X-ite 液体牙膏，倍瑞傲派缤液体牙膏，竹盐喜马拉雅粉盐派缤液体牙膏，分别定义为1号样品、2号样品、3号样品;1号样品为倒立按压式，2号及3号样品泵压式。

流变性能测试都是在室温(25℃±1℃)下进行，HAKKE RS6000旋转流变仪,美国热电仪器有限公司；测试夹具: 30mm/0.5°椎板及30mm平板，稳态流动试验采用椎板，动态流动试验采用平板进行。

①稳态流动试验:测试间距540μm,测试温度25℃; 上样后平衡5min，0.1 s-1下预剪切30 s,稳态流动扫描范围:0.001～1000 s-1。

②触变环试验：测试间距540μm,测试温度25℃; 上样后平衡5min，稳态流动向上扫描范围:100s,1～100s-1，稳态流动向下扫描范围:100s, 100～1s-1。

③频率扫描试验:测试间距800μm,测试温度25℃,上样后平衡5min,应力10Pa,频率扫描范围0.1～10Hz。

④应力扫描试验:测试间距800μm,测试温度25℃,上样后平衡5min,频率1Hz,应力扫描范围0.1～1000Pa。

2 结果与分析

2.1 稳态流动试验

稳态流动试验结果见图1。三个样品牙膏粘度都随扫描速率的增加而降低，呈现剪切变稀的性能。在低剪切区域粘度差异较大，范围从25万～55万mPas之间，在高剪切速率区差异逐渐缩小，粘度范围在200～2000mPas之间。样品1为倒立按压式产品，其零剪切达到28万mPas，确保其在倒立放置时不会流溢出管口。样品2和样品3具有类似的稳态流动曲线，两者具有很强的剪切性能，能顺利保证产品被泵送出来。

图1 3种液体牙膏稳态流动扫描曲线

Herschel-Bulkley方程:τ=τ0+Kγn

τ0——零剪切应力;

K——稠度系数;

n——流态特征指数

采用Herschel-Bulkley 方程对流动曲线进行拟合[1]，拟合数据见表1。在三个样品中样品1具有高的零剪切应力以及流态特征指数，剪切变稀性能最低，结合曲线中到在高剪切速率端粘度最高，样品也表现出一定的拖丝性能。样品3具有最低的流态特征指数和中等的零剪切应力，揭示其具有最强的剪切变稀和优良的分散性。

表1 3种液体牙膏流动曲线拟合数据

2.2 触变环试验

触变性扫描试验结果见图2。通过软件拟合计算出3种液体牙膏的触变面积分别为7436Pa/s,2589 Pa/s,3199 Pa/s，触变性1号样品>3号样品>2号样品。1号样品被剪切后整个剪切速率区域回复较慢，出现较强的触变性，而在整个剪切速率区域内上行和向行扫描曲线不重合且斜率较高，预示该牙膏对剪切较为敏感剪切后难以恢复原始状态。2和3号样品被剪切后回复较快，触变性相对较低。在较高的剪切速率范围内上行和向行扫描曲线几乎重合，而在低于50s-1剪切速率以下出现较大的触变面积，预示在牙膏网络结构重新恢复和建立需要更长的时间。

图2 3种液体牙膏触变性扫描曲线

2.3 频率扫描试验

动态频率扫描在应力10Pa下进行，结果见图3。样品1 储能模量及损耗模量G″在整个频率扫描范围内G″大于G′,同时随频率升高而升高，显示出很强的相关性，同时G′和G″没有出现交点。样品1主要呈现为液体性能，受到频率的影响变化大认为是交联化和结构化低。样品2在整个频率扫描范围内储能模量G ′和损耗模量G″非常接近, 储能模量G ′略高于损耗模量G″，较高的频率下出现交点,转换为损耗模量G″大于储能模量G′。样品2的粘弹性主要呈现为弱凝胶性能，当受力较高时结构破坏而转换为流动性能。样品1和2显示弱结构体系，在这样的体系中可能会发生沉降。样品3在整个频率扫描范围内储能模量G ′和损耗模量G″几乎平行, 储能模量G ′远高于损耗模量G″没有出现交点,。样品3的粘弹性主要呈现为较强的凝胶或乳膏性能，主要呈现为不易流动的固体状态。

图3 3种液体牙膏频率扫描曲线

2.4 应力扫描试验

动态应力扫描在频率1Hz下进行，结果见图4。

图4 3种液体牙膏应力扫描曲线

如图4所示样品在扫描范围内低应力区内G′>G″，这表明3种液体牙膏以弹性为主。在一定的应力下，都出现了G′，G″下降，在出现交点后G″>g′，液体牙膏开始流动。3种液体牙膏的线性粘弹性区的范围差别较大，1号样品的G′G″交点小于1Pa，线性粘弹性区很窄，说明其结构容易被破坏，极易流动，倾倒后通过重力作用易于流出，因此适合直立管包装。相应的，在挤出后牙膏渗透到刷毛中去，这种流动行为往往在液体牙膏中比较常见。而2和3号G′G″交点大于100Pa，通过手工泵压或挤出可以牙膏开始流动，同时挤出后不会渗透到刷毛中。G′G″交点应保持在一个较为适中的值，太高后会造成流动性困难，难以挤出或按压泵出，影响消费者使用。而交点过低容易出现稳定性问题。

3 结论

研究了3种液体牙膏的流变性能。流变实验结果表明，液体牙膏具有良好的剪切变稀较强的非牛顿流体特征。动态频率扫描以及应力扫描研究表明，几种液体牙膏普遍具有以粘性为主导或弱凝胶性的流体特征，因包装形式不同是液体牙膏相对于普通牙膏在粘度、稠度、以及剪切变稀等流变性能上进行大幅度的调整和改变，因此对液体牙膏应用性能包括挤出性能、站立性、分散性与流变学性能和参数紧密相关，可进一步开展研究。