Khảo sát lựa chọn thông số phù hợp cho phương pháp phân tích nhiệt và đo lưu biến trong phân tích cấu trúc của hỗn hợp ba thành phần alcol béo chất diện hoạt nước

BỘ Y TẾ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DƢỢC HÀ NỘI



TRẦN THỊ HOÀI LINH


KHẢO SÁT LỰA CHỌN THÔNG SỐ PHÙ HỢP
CHO PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT VÀ
ĐO LƢU BIẾN TRONG PHÂN TÍCH CẤU TRÚC
CỦA HỖN HỢP BA THÀNH PHẦN
ALCOL BÉO - CHẤT DIỆN HOẠT - NƢỚC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƢỢC SĨ





HÀ NỘI - 2015

BỘ Y TẾ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DƢỢC HÀ NỘI

TRẦN THỊ HOÀI LINH

KHẢO SÁT LỰA CHỌN THÔNG SỐ PHÙ HỢP
CHO PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT VÀ
ĐO LƢU BIẾN TRONG PHÂN TÍCH CẤU TRÚC
CỦA HỖN HỢP BA THÀNH PHẦN
ALCOL BÉO - CHẤT DIỆN HOẠT - NƢỚC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƢỢC SĨ


Người hướng dẫn
1. Ths. Nguyễn Phương Nhung
2. Ds. Lại Văn Đông
Nơi thực hiện
1. Bộ môn Hóa phân tích – Độc chất
2. Bộ môn Hóa đại cương vô cơ

HÀ NỘI - 2015
1

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Ths.
Nguyễn Phương Nhung, giảng viên bộ môn Hóa Đại Cương Vô Cơ, trường
đại học Dược Hà Nội. Cô đã không chỉ tạo những điều kiện thuận lợi nhất
giúp tôi hoàn thành khóa luận mà đã luôn có những chỉ dẫn sát sao, kịp thời

và động viên tôi những lúc khó khăn. Tôi xin gửi lời cảm ơn DS. Lại Văn
Đông, anh đã đồng hành và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian làm đề tài.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Vũ Đặng Hoàng, thầy đã nhiệt
tình giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi được làm thực nghiệm tại bộ môn Hóa
Phân Tích – Kiểm Nghiệm, trường Đại học Dược Hà Nội.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo, các anh
chị kỹ thuật viên của bộ môn Hóa Phân Tích – Kiểm Nghiệm, trường đại học
Dược Hà Nội trong suốt thời gian qua đã tạo điều kiện để tôi thực hiện khóa
luận tại bộ môn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, các anh chị và các bạn
trong nhóm thực nghiệm tại bộ môn Hóa Phân Tích – Kiểm Nghiệm đã đồng
hành cùng tôi chia sẻ vui buồn trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, ngày 14 tháng 5 năm 2014
Người viết


Trần Thị Hoài Linh
2

MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ 8
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 9
1.1. CẤU TRÚC HỆ BA THÀNH PHẦN SỬ DỤNG HỖN HỢP CHẤT NHŨ HÓA 9
1.2. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA CÁC CHẤT NHŨ HÓA 11
1.2.1. Alcol béo 11
1.2.2. Chất diện hoạt 11
1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC CỦA HỆ BA THÀNH PHẦN 13
1.3.1. Phân tích nhiệt khối lượng (Thermogravimetric Analysis - TGA) 13
1.3.2.1. Các đại lượng trong phép đo lưu biến 14
1.3.2.3. Các phương pháp đo lưu biến 15

1.3.2.3.1. Phương pháp trượt liên tục (continuous shear stress) 15
1.3.2.3.2. Phương pháp dao động (oscillatory rheology) 17
1.3.2.3.3. Phương pháp creep và hồi phục (creep and recovery) 18
1.3.3. Các mô hình đo lưu biến 19
1.3.3.1. Mô hình cối - chày 19
1.3.3.2. Mô hình côn-đĩa (cone-plate) 19
1.3.3.1. Mô hình hai đĩa song song ( plate-plate) 20
CHƢƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21
2.1. NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ 21
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 21
2.2.1. Bào chế hệ ba thành phần 21
2.2.2. Tối ưu hóa phương pháp phân tích nhiệt 22
2.2.3. Tối ưu hóa phương pháp lưu biến 22
2.2.3.1. Tối ưu hóa phương pháp trượt liên tục 22
2.2.3.2 . Tối ưu hóa phương pháp dao động 22
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22
2.3.1. Quy trình bào chế hỗn hợp ba thành phần 22
3

2.3.2. Tối ưu hóa phương pháp phân tích nhiệt. 23
2.3.3. Tối ưu hóa phương pháp đo lưu biến 25
2.3.3.1. Phương pháp trượt liên tục. 25
2.3.3.2. Phương pháp dao động 26
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 27
3.1. TỐI ƢU HOA PHƢƠNG PHAP TGA TRONG NGHIEN CỨU CẤU TRUC VA DỘ
ỔN DỊNH CỦA HỆ BA THANH PHẦN 27
3.1.1. Tối ưu hóa khối lượng mẫu 30
3.1.2. Tối ưu hóa tốc độ gia nhiệt 32
3.1.3. Tối ưu hóa tốc độ cấp khí 34
3.2. TỐI ƢU HÓA PHƢƠNG PHÁP LƢU BIẾN TRONG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ

ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ BA THÀNH PHẦN. 37
3.2.1. Tối ưu hóa phương pháp trượt liên tục 37
3.2.1.1.Tối ưu hóa lượng mẫu. 37
3.2.1.2 Tối ưu hóa thời gian một chu kì 39
3.2.2. Tối ưu hóa phương pháp đo lưu biến kiểu dao động 40
3.2.2.1. Xác định thời gian cân bằng 41
3.2.2.2. Xác định vùng đàn hồi nhớt tuyến tính 42
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

4

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DSC: phân tích nhiệt vi sai (differential scanning calorimetry)
TGA: phân tích nhiệt khối lượng (thermogravimetric analysis)
DTG: đường cong đạo hàm bậc 1 của đường cong TGA (derivative
thermogravimetry)
LVR: vùng đàn hồi nhớt tuyến tính (linear viscoelastic region)
G’: môđun đàn hồi (elastic modulus)
G”: môđun nhớt (viscous modulus)
AUC: diện tích dưới đường cong
CP: côn – đĩa (cone – plate)
RSD: độ lệch chuẩn tương đối
D/N: dầu trong nước
τ : ứng suất trượt
γ: biến dạng trượt
η: độ nhớt
τ
o
: điểm chảy

5

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1. Cấu trúc của kem dầu trong nước sử dụng hỗn hợp chất nhũ hóa: (1)
pha gel thân nước chứa lớp kép chất diện hoạt; (1.1) lớp kép; (1.2) nước liên
kết; (2) pha gel thân dầu; (3) nước liên kết [17]. 10
Hình 2. Công thức cấu tạo của Tween 80. 12
Hình 3. Hình ảnh mô phỏng biến dạng của khối kem dưới tác dụng ngoại lực
trượt lên bề mặt [12]. 14
Hình 4. Đường cong chảy của vật liệu Newton và không Newton [12] 16
Hình 5. Đường cong chảy của hệ ba thành phần trong hai chu kỳ: tăng tốc độ
trượt và giảm tốc độ trượt. 17
Hình 6. Mô hình đo lưu biến cối-chày (a); nón-đĩa (b); đĩa-đĩa (c) [4]. 20
Hình 7. Quy trình tối ưu hóa phép đo TGA trên hệ ba thành phần đã bào chế :
M
mẫu
: khối lượng mẫu; V
t
o
: tốc độ gia nhiệt ; V
khí
: tốc độ cấp khí Nitơ. 24
Hình 8. Lượng mẫu thiếu, dư và đủ cho vào bộ phận côn – đĩa. 25
Hình 9. Phương pháp điểm uốn (A) và phương pháp diện tích dưới đường
cong (B) để tính tỷ lệ nước liên kết. 28
Hình 10. Phương pháp hiệu chỉnh với mẫu trắng để xác định tỷ lệ % nước liên
kết. 29
Hình 11. Đường cong DTG của mẫu 10 mg: mẫu trắng (đường nét đứt); mẫu
thử (đường nét liền). 30

Hình 12. Đường cong DTG của mẫu 6 mg: mẫu trắng (đường nét đứt); mẫu
thử (đường nét liền). 30
Hình 13. Giản đồ DTG tốc độ 2
o
C/phút: mẫu trắng (đường nét đứt); mẫu thử
(đường nét liền). 32
Hình 14. Giản đồ DTG tốc độ 5
o
C/phút: mẫu trắng (đường nét đứt); mẫu thử
(đường nét liền). 32
Hình 15. Giản đồ DTG tốc độ 10
o
C/phút : mẫu trắng (đường nét đứt); mẫu
thử (đường nét liền). 33
6

Hình 16. Giản đồ DTG với tốc độ cấp khí 40 mL/phút: mẫu trắng (đường nét
đứt); mẫu thử (đường nét liền). 34
Hình 17. Giản đồ DTG của mẫu với tốc độ cấp khí 50 mL/phút: mẫu trắng
(đường nét đứt); mẫu thử (đường nét liền). 35
Hình 18. Đường cong DTG của mẫu với tốc độ cấp khí 60 mL/phút: mẫu
trắng (đường nét đứt); mẫu thử (đường nét liền). 35
Hình 19. Kết quả phép đo trượt liên tục của giai đoạn tối ưu hóa khối lượng
mẫu. 37
Hình 20. Kết quả phép đo trượt liên tục với các thời gian mỗi chu kỳ khác
nhau. 39
Hình 21. Điểm chảy của mẫu khi tiến hành với các thời gian khác nhau. 40
Hình 22. Sự thay đổi môđun đàn hồi theo thời gian của hệ ba thành phần. 41
Hình 23. Sự thay đổi môđun đàn hồi theo ứng suất của hệ ba thành phần. 42

7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1. Khoảng nhiệt độ nóng chảy của một số alcol béo [6] 11
Bảng 2. Hóa chất sử dụng 21
Bảng 3. Dụng cụ sử dụng 21
Bảng 4. Công thức bào chế hệ ba thành phần 22
Bảng 5. Phương pháp nghiên cứu hệ ba thành phần đã được sử dung 26
Bảng 6. Kết quả giá trị điểm uốn và phần trăm nước liên kết của các mẫu 4, 6,
8 và 10 mg 31
Bảng 7. Kết quả điểm uốn và phần trăm nước liên kết khi thay đổi tốc độ gia
nhiệt 34
Bảng 8. Kết quả điểm uốn và phần trăm nước liên kết của giai đoạn tối ưu hóa
tốc độ cấp khí Nitơ 36
8

ĐẶT VẤN ĐỀ

Kem dầu trong nước là một trong những dạng bào chế thông dụng nhất
trong nhóm các chế phẩm dùng qua da do các loại kem này tạo cảm giác thoải
mái, dễ sử dụng, ít nhờn và dễ thoa đều lên da. Bản chất của kem dầu trong
nước là nhũ tương dầu trong nước hoặc nhũ tương nhiều pha nước/dầu/nước ở
dạng bán rắn.
Trong thành phần của kem, chất nhũ hóa có vai trò rất lớn đối với sự
hình thành cấu trúc của hệ. Thông thường, chất nhũ hóa được sử dụng ở dạng
hỗn hợp của alcol béo và các chất diện hoạt ion hóa hay không ion hóa. Hỗn
hợp chất nhũ hóa này phân tán trong nước tạo thành hệ có cấu trúc nhiều pha,
mỗi pha đều có vai trò nhất định đối với sự ổn định của hệ. Hơn nữa, trong
quá trình bảo quản các pha này có thể tương tác với nhau làm thay đổi cấu
trúc và tính chất của hệ. Hệ ba thành phần gồm alcol béo, chất nhũ hóa và nước
được sử dụng trong các pha đầu của quá trình nghiên cứu phát triển công thức
của kem dầu trong nước, cấu trúc và độ ổn định cứu kem dầu trong nước do cấu
trúc của hệ ba thành phần tương tự như cấu trúc của kem [19]. Nhiều phương
pháp hóa lý khác nhau đã được ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc và độ ổn
định của hệ ba thành phần cũng như kem dầu trong nước đặc biệt là phương
pháp phân tích nhiệt và đo lưu biến.
Xuất phát từ yêu cầu trên, tôi tiến hành nghiên cứu “Tối ưu hóa phương
pháp nghiên cứu cấu trúc và độ ổn định của hệ ba thành phần” với hai mục
tiêu:
1. Khảo sát lựa chọn thông số phù hợp cho phương pháp phân tích
nhiệt trong nghiên cứu cấu trúc và độ ổn định của hệ ba thành phần,
2. Khảo sát lựa chon thông số phù hợp cho phương pháp đo lưu
biến trong nghiên cứu cấu trúc và độ ổn định của hệ ba thành phần.
9

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Cấu trúc hệ ba thành phần sử dụng hỗn hợp chất nhũ hóa
Cấu trúc của hệ ba thành phần phụ thuộc vào nồng độ chất nhũ hóa. Ở tỉ
lệ thấp, chất nhũ hóa chỉ tạo ra một màng đơn lớp tại bề mặt phân cách giữa
hai pha dầu và nước để ngăn cản sự tiến lại gần nhau của các giọt dầu, cấu
trúc của kem dầu trong nước lúc này chỉ chứa các giọt dầu phân tán trong môi
trường nước. Ở tỉ lệ cao hơn (thường dùng lượng dư chất nhũ hóa) sự tương
tác của lượng dư chất nhũ hóa với nước làm hệ có cấu trúc phức tạp hơn gồm
ít nhất ba pha: (1) pha gel thân nước là các lớp kép được tạo thành từ chất
diện hoạt và alcol béo. Ở giữa các lớp nước này là các phân tử nước tương tác
với các thành phần của lớp kép gọi là nước liên kết; (2) pha gel thân dầu
được tạo thành bởi phần alcol béo dư không thuộc pha gel thân nước; (3) pha
nước tự do bao gồm các phân tử nước tự do để cân bằng với nước trong gel
tạo thành pha liên tục cho hệ. Kem dầu trong nước cũng có cấu trúc tương tự
với ba pha ở trên và (4) pha dầu do sự có mặt của dầu béo, chủ yếu được cố
định cơ học từ pha gel thân dầu (Hình 1) [9].

10


Hình 1. Cấu trúc của kem dầu trong nước sử dụng hỗn hợp chất nhũ hóa: (1)
pha gel thân nước chứa lớp kép chất diện hoạt; (1.1) lớp kép; (1.2) nước liên
kết; (2) pha gel thân dầu; (3) nước liên kết [17].
Như vậy, khi dùng lượng dư chất nhũ hóa, các lớp kép chất diện hoạt
và alcol béo tạo thành như các lớp hàng rào mới ngăn cản hơn nữa sự tiến lại
gần nhau của các giọt dầu. Khi các khoảng cách giữa các lớp hàng rào càng
lớn hoặc số lượng lớp hàng rào này càng tăng tức là lượng nước liên kết
chiếm tỉ lệ càng cao thì các giọt dầu càng khó tiến lại gần nhau, cấu trúc của
nhũ tương càng tăng độ ổn định [4]. Tỷ lệ nước liên kết trong hệ không những

ảnh hưởng đến độ ổn định mà còn ảnh hưởng đến đặc tính sinh dược học của
dạng thuốc khi có dược chất. Nước liên kết có khả năng làm ẩm da và đảm
bảo độ ẩm này trong suốt quá trình thấm thuốc như nguồn dự trữ nước của
chế phẩm [15].
11

1.2. Cấu trúc và tính chất của các chất nhũ hóa
1.2.1. Alcol béo
Alcol béo có thể coi như phần khung của cả hai pha gel thân nước và
thân dầu hình thành nên cấu trúc hệ ba thành phần cũng như kem dầu trong
nước. Cetyl alcohol (CH
3
(CH
2
)
15
OH) và stearyl alcohol (CH
3
(CH
2
)
17
OH) là
hai alcol béo no, mạch thẳng thường được sử dụng trong hỗn hợp chất nhũ
hóa cùng với chất diện hoạt. Cũng giống như các alcol béo mạch thẳng khác,
hai alcol này có hiện tượng đa hình với ít nhất ba dạng thù hình α, β và γ,
trong đó dạng α với gốc hydrocacbon duỗi tối đa và quay xung quanh trục
phân tử, dạng β có các gốc hydrocacbon không quay còn dạng γ có các gốc
hydrocacbon nghiêng. Ở nhiệt độ thấp, chúng tồn tại ở dạng β hoặc γ hoặc cả
hai dạng nhưng dạng β vẫn chiếm ưu thế. Khi nhiệt độ tăng lên đến nhiệt độ

chuyển dạng thù hình, dạng β hoặc γ chuyển sang dạng α. Dạng này không
bền trong một khoảng nhiệt độ tương đối hẹp và khi tăng nhiệt độ lên trên
nhiệt độ nóng chảy thì chuyển thành dạng lỏng [5,6]. Khoảng nhiệt độ nóng
chảy của các alcol béo được trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1. Khoảng nhiệt độ nóng chảy của một số alcol béo [6]
Alcol béo
Khoảng nhiệt độ nóng chảy (
o
C)
Cetyl alcohol
46-52
Stearyl alcohol
57-60
Cetosteary alcohol*

49-56
*: cetostearyl alcohol là hỗn hợp alcol béo chứa chủ yếu cetyl và stearyl alcohol
1.2.2. Chất diện hoạt
Bên cạnh alcol béo, cấu trúc và đặc tính lý hóa của chất diện hoạt có
thể có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của hệ ba thành phần. Có hai nhóm
chất diện hoạt là chất diện hoạt ion hóa và chất diện hoạt không ion hóa.
12

Trong cấu trúc hệ ba thành phần sử dụng chất diện hoạt ion hóa, điện tích của
chúng tạo ra lực đẩy tĩnh điện giữa các lớp kép làm khoảng không gian giữa
các lớp này mở rộng, lượng nước liên kết len vào giữa các lớp kép tăng lên
ngăn cản mạnh mẽ hơn sự tiến lại gần nhau của các giọt dầu. Cấu trúc của các
nhũ tương chứa chất diện hoạt ion hóa được tạo thành chỉ vài giờ sau khi bào
chế và giữ ổn định trong suốt quá trình bảo quản [3]. Ngược lại, trong các hệ
chứa chất diện hoạt không ion hóa là dẫn xuất của polyoxyethylen, liên kết

hydro giữa chuỗi polyoxyethylen với nước là tương tác chủ yếu tạo ra sự
trương nở trong nước của lớp kép. So với liên kết tĩnh điện liên kết hydro yếu
hơn nhiều, do đó cấu trúc của các hệ này mất nhiều thời gian hơn để hình
thành và có thể bị thay đổi trong quá trình bảo quản. Mặc dù vậy, các chất
diện hoạt không ion hóa vẫn được sử dụng nhiều hơn do chúng ít gây kích
ứng da và ít gây tương tác với tá dược hoặc dược chất trong mỹ phẩm so với
các chất diện hoạt ion hóa [4].
Tween 80 là chất diện hoạt không ion hóa có chứa chỗi polyoxyethylen
(Hình 2) và có tính thân nước (HLB = 15,0) thường được sử dụng để bào chế
nhũ tương dầu trong nước. Cùng với alcol béo, Tween 80 tạo nên các lớp kép
chất nhũ hóa, hình thành và ổn định cấu trúc nhũ tương [14].

Hình 2. Công thức cấu tạo của Tween 80.
13

1.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc của hệ ba thành phần
1.3.1. Phân tích nhiệt khối lượng (Thermogravimetric Analysis - TGA)
Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên hiện tượng mất khối lượng do
làm khô (sự bay hơi nước), phương pháp TGA đo khối lượng mẫu ở từng
nhiệt độ trong quá trình tăng nhiệt, từ đó xác định được khối lượng nước bay
hơi ở từng thời điểm.
Phương pháp TGA có thể ứng dụng để xác định hàm lượng nước (độ
ẩm) của mẫu có khối lượng rất nhỏ (cỡ vài mg) và có hàm ẩm rất nhỏ. Khối
lượng nước trong mẫu tính được bằng cách lấy khối lượng mẫu ban đầu trừ đi
khối lượng mẫu không đổi còn lại sau khi bay hơi hoàn toàn.
Thêm nữa, vì TGA cho phép quan sát sự thay đổi khối lượng do bay
hơi ở từng nhiệt độ trong quá trình tăng nhiệt nên phương pháp này còn được
ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc của hệ ba thành phần mà cụ thể là sự phân
bố nước trong hệ. Sự bay hơi của nước trong hệ ba thành phần gắn liền với sự
thay đổi trạng thái và dạng thù hình của alcol béo. Khi chưa đến nhiệt độ

nóng chảy của alcol béo, nước bay hơi phần lớn là nước ở dạng tự do. Một
khi alcol béo nóng chảy, cấu trúc gel sẽ thay đổi và nước liên kết được giải
phóng. Lúc này, trên đường cong TGA biểu diễn lượng nước bay hơi theo
thời gian có sự thay đổi đột ngột khối lượng mẫu thể hiện bằng sự xuất hiện
của điểm uốn. Nếu lấy đạo hàm bậc 1 của đường cong TGA ( đường DTG),
tín hiệu này có thể phát hiện dễ dàng hơn do xuất hiện cực trị. Đây là cơ sở để
đánh giá định tính sự có mặt của nước liên kết trong các pha của hệ. Không
dừng lại ở đó, dữ liệu TGA cũng là căn cứ để định lượng một cách tương đối
tỷ lệ giữa nước liên kết và nước tự do [8].



14

1.3.2. Phương pháp đo lưu biến
Lưu biến học (rheology) là khoa học nghiên cứu tính chất chảy và sự
biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực [12]. Tính chất lưu biến
phản ánh hai đặc điểm của vật liệu: độ nhớt (tính chất chảy, khả năng trơn
trượt) và độ đàn hồi (sự biến dạng, khả năng tái ổn định cấu trúc). Do đó, kết
quả đo lưu biến có thể phản ánh những đặc điểm cấu trúc đặc trưng cũng như
sự thay đổi những thành phần cấu trúc đó theo thời gian [12].
1.3.2.1. Các đại lượng trong phép đo lưu biến
Xét một khối vật liệu có diện tích bề mặt A (m
2
) và chiều cao d (m). Khi tác
dụng một lực F trượt lên bề mặt khối kem thì khối kem sẽ biến dạng lệch một
khoảng u (m) (Hình 3) [12].

Hình 3. Hình ảnh mô phỏng biến dạng của khối kem dưới tác dụng ngoại lực
trượt lên bề mặt [12].

Khi đó ta có các đại lượng đặc trưng cho vật liệu [12]:
Ứng suất trượt : (Pa)
Biến dạng trượt: (%)
Tốc độ trượt: (1/s)
15

Độ nhớt: ( Pas)
1.3.2.3. Các phương pháp đo lưu biến
1.3.2.3.1. Phương pháp trượt liên tục (continuous shear stress)
Trong phương pháp này, vật liệu bị đặt dưới tác dụng của những lực
song song với nhau nhưng phương của các lực này không nằm trên cùng một
đường thẳng và có hướng ngược nhau (lực trượt) [2].
Phương pháp đo trượt liên tục có thể thực hiện theo hai cách tùy thuộc
vào dụng cụ sử dụng: kiểm soát tốc độ trượt hoặc kiểm soát ứng suất trượt.
Theo chế độ đầu tiên, thông số tùy chọn có thể thay đổi là tốc độ trượt và ứng
suất trượt được đo ứng với mỗi sự thay đổi của tốc độ trượt. Trong khi đó chế
độ thứ hai, thông số tùy chọn thay đổi là ứng suất trượt và thiết bị cho kết quả
của tốc độ trượt tương ứng [12].
Kết quả đo của phương pháp này thường được biểu diễn dưới dạng
đường cong chảy (flow curve) trong đó trục tọa độ có thể là ứng suất trượt,
tốc độ trượt hoặc độ nhớt của vật liệu ( Hình 4). Dựa tính chất chảy thể hiện
qua hình dạng của đường cong này có thể phân loại vật liệu thành vật liệu
Newton và vật liệu không Newton. Vật liệu Newton là những chất có độ nhớt
không đổi tại mỗi nhiệt độ nhưng độc lập với tốc độ trượt do đó đường cong
chảy là đường thẳng. Vật liệu không Newton là vật liệu mà không thể được
xác định độ nhớt tại một nhiệt độ cụ thể, độ nhớt của các vật liệu này phải
luôn luôn được ghi cùng với nhiệt độ tương ứng và tốc độ trượt. Nếu tốc độ
trượt được thay đổi độ nhớt cũng sẽ thay đổi. Nếu độ nhớt của vật liệu giảm
cùng với sự tăng lên của tốc độ trượt thì được gọi là vật liệu chảy lỏng (shear
thinning), ngược lại nếu độ nhớt của vật liệu tăng lên cùng với sự tăng tốc độ

trượt thì vật liệu được coi là chảy đặc (shear thickening). Lý do cho hiện
tượng chảy lỏng là sự tăng tốc độ trượt làm sắp xếp lại các hạt, đáp ứng của
dòng chảy tăng chậm so với sự tăng tốc độ trượt do đó giảm độ nhớt. Còn đối
16

với vật liệu chảy đặc, hoạt động của dung môi như một chất bôi trơn giữa các
hạt lơ lửng ở tốc độ trượt thấp nhưng ở tốc độ trượt cao hơn dung môi bị ép
ra, dẫn đến liên kết dày đặc hơn của các hạt, làm tăng độ nhớt vật liệu [12].

Hình 4. Đường cong chảy của vật liệu Newton và không Newton [12]

Ngoài ra, phương pháp này còn cho phép đánh giá tính chất chảy phụ
thuộc thời gian của vật liệu. Khi tác động ngoại lực lên vật liệu trong hai chu
kỳ khác nhau với một chu kỳ tăng ứng suất trượt (hoặc tốc độ trượt) làm phá
hủy cấu trúc của vật liệu và một chu kỳ giảm ứng suất trượt (hoặc tốc độ
trượt) để vật liệu trở về cấu trúc ban đầu, phần diện tích giữa hai đường cong
(vòng xúc biến) chảy của hai chu kì thể hiện tính chất chảy phụ thuộc thời
gian của vật liệu. Phần diện tích này càng lớn chứng tỏ vật liệu càng mất
nhiều thời gian để phục hồi trở về cấu trúc ban đầu, tức là tính chất chảy của
vật liệu càng phụ thuộc vào thời gian (Hình 5) [2].
17


Hình 5. Đường cong chảy của hệ ba thành phần trong hai chu kỳ: tăng tốc
độ trượt và giảm tốc độ trượt.
Hơn nữa, phương pháp trượt liên tục còn cho phép xác định điểm chảy
của vật liệu. Điểm chảy (τ
o
) là giá trị ứng suất trượt lớn nhất để tốc độ chảy
của vật liệu bằng không. Nghĩa là nếu ứng suất trượt nhỏ hơn điềm chảy vật

liệu không chảy. Nếu ứng suất trượt lớn hơn điểm chảy thì vật liệu bắt đầu
chảy [12].
1.3.2.3.2. Phương pháp dao động (oscillatory rheology)
Nguyên tắc của phương pháp dao động là không phá hủy cấu trúc của
vật liệu đo. Vật liệu chịu tác động bởi các dao động có tần số nhất định và gây
ra các ứng suất dao động lan truyền theo kiểu sóng hình sin. Khi thay đổi giá
trị của tần số này, các thành phần cấu trúc khác nhau của vật liệu sẽ cho đáp
ứng theo hai cơ chế chính: tích trữ năng lượng đàn hồi và tiêu thụ năng lượng
nhớt. Hai kiểu đáp ứng này được mô tả tương ứng qua thông số môđun đàn
hồi G’ và môđun nhớt G”. Tỷ số giữa hai thông số G” và G’, tanδ, cho biết độ
18

mạnh yếu của tương tác giữa các thành phần cấu trúc bên trong vật liệu [7,
13].
Môđun đàn hồi G’ đặc trưng cho năng lượng biến dạng được tích lũy
bên trong mẫu trong suốt quá trình trượt. Sau khi ngừng tác dụng lực, vai trò
của G’ được thể hiện thông qua quá trình phục hồi để bù lại một phần hoặc
hoàn toàn những thay đổi về cấu trúc của hệ dưới ảnh hưởng của lực tác dụng.
Các vật liệu tích lũy toàn bộ năng lượng biến dạng có khả năng biến dạng
thuận nghịch hoàn toàn tức là có khả năng phục hồi lại nguyên trạng cấu trúc
của mình sau chu kỳ tác dụng lực. Do đó, G’ thể hiện tính đàn hồi của vật liệu
[16].
Môđun nhớt G” đặc trưng cho năng lượng biến dạng được sử dụng bởi
vật liệu trong suốt quá trình trượt và do đó là lượng năng lượng mất đi cho
mẫu. Năng lượng này được sử dụng trong suốt quá trình vật liệu thay đổi cấu
trúc, khi đó vật liệu chảy một phần hoặc hoàn toàn. Khi vật liệu chảy, có sự
chuyển động tương đối giữa các phân tử, tiểu phân hoặc các vùng trong cấu
trúc của vật liệu. Năng lượng mất đi này thể hiện đặc tính biến dạng không
hồi phục của vật liệu và đặc trưng cho đặc tính nhớt của vật liệu [16].
1.3.2.3.3. Phương pháp creep và hồi phục (creep and recovery)

Khác với hai phương pháp đo lưu biến trên, mẫu thử chịu tác dụng của
một ứng suất tại thời điểm ban đầu và ứng suất này không thay đổi trong quá
trình đo creep. Trong chu kỳ tiếp theo, quá trình phục hồi, ứng suất này giảm
đột ngột về không và giữ ở giá trị đó cho đến hết chu kỳ. Đáp ứng thuận
(compliance response) (1/G) của vật liệu theo thời gian được biểu diễn bằng
đồ thị [1, 7].
Hình dạng của đường cong creep qua hai chu kỳ phản ánh đặc tính đàn
hồi nhớt của vật liệu. Khi đo với vật liệu đàn hồi lý tưởng, đồ thị có dạng
đường thẳng song song với trục hoành trong chu kỳ đầu tiên và đột ngột giảm
19

xuống bằng 0 rồi giữ nguyên ở giá trị đó ở chu kỳ tiếp theo do các vật liệu
này có khả năng hồi phục lại cấu trúc ban đầu khi ứng suất thôi không tác
dụng. Vật liệu nhớt lý tưởng cho đường cong creep là một đường thẳng tuyến
tính với đáp ứng thuận tăng dần trong chu kỳ đầu tiên và ở chu kỳ tiếp theo
do không có tính hồi phục như vật liệu đàn hồi lý tưởng, giá trị của đáp ứng
thuận này được giữ nguyên. Trong khi đó với vật liệu đàn hồi nhớt, đường
cong creep không tuyến tính ở cả hai chu kỳ và cấu trúc của vật liệu này chỉ
phục hồi một phần so với ban đầu [1, 7].Tương tự như phương pháp dao
động, phương pháp này cũng đòi hỏi tiến hành một phép đo sàng lọc để xác
định vùng nhớt đàn hồi tuyến tính để xác định ứng suất thích hợp. Khi đó,
ứng suất tác động lên mẫu tăng dần và đo đáp ứng thuận của mẫu nhưng trong
thời gian ngắn hơn so với phép đo chính. Ngoài ra, trước khi vào chu kỳ
creep, mẫu cũng cần có thời gian để phục hồi lại sau khi chịu tác động của
ứng suất gây ra trong quá trình đưa mẫu vào thiết bị [13].
1.3.3. Các mô hình đo lưu biến
1.3.3.1. Mô hình cối - chày
Hệ thống có cấu tạo như Hình 6a. Vật liệu được cho vào cối. Khi hệ thống
hoạt động, chày tiếp xúc với vật liệu theo một diện tích bề mặt lớn. Mô hình
này có ưu điểm là rất thích hợp với các vật liệu có độ nhớt thấp, nhưng nhược

điểm là cần lượng mẫu lớn và khó vệ sinh dụng cụ [12].
1.3.3.2. Mô hình côn-đĩa (cone-plate)
Đây là mô hình lí tưởng trong nhiều trường hợp đo (Hình 6b). Hệ thống đo
côn-đĩa cần khối lượng mẫu nhỏ và dễ dàng vệ sinh. Hệ thống côn - đĩa được
gọi tên theo đường kính côn và góc côn.Ví dụ, một CP4/40 là một hệ thống
cone-plate có đường kính côn 40mm và góc côn bằng 4
o
. Côn thường được
20

cắt ngắn ở đỉnh. Bằng việc cắt ngắn như vậy, hệ thống côn-đĩa sẽ tạo ra tốc độ
trượt lớn và ổn định [12].
1.3.3.1. Mô hình hai đĩa song song ( plate-plate)
Đây là mô hình đo lưu biến đơn giản nhất, bộ phận đo gồm hai đĩa phẳng
song song (Hình 6c). Hệ thống này có ưu điểm là rất dễ làm sạch và chỉ cẩn
một khối lượng nhỏ mẫu. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là tốc độ cắt tạo ra
không ổn định [12].



Hình 6. Mô hình đo lưu biến cối-chày (a); nón-đĩa (b); đĩa-đĩa (c) [4].


21

CHƢƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Nguyên liệu, thiết bị
Các hóa chất và dụng cụ sử dụng trong quá trình tiến hành thí nghiệm
được liệt kê ở Bảng 2 và Bảng 3.

Bảng 2. Hóa chất sử dụng
Tên hóa chất
Tiêu chuẩn chất lƣợng
Xuất xứ
Tween 80
Tiêu chuẩn cơ sở
Singapore
Cetyl alcohol
Tiêu chuẩn cơ sở
Trung Quốc
Stearyl alcohol
Tiêu chuẩn cơ sở
Trung Quốc
Nước cất hai lần
Tiêu chuẩn cơ sở
Việt Nam

Bảng 3. Dụng cụ sử dụng
Thiết bị
Model
Nhà sản xuất
Xuất xứ
Máy khuấy
Overhead Stirrer
VELP Scientifica
Mỹ
Máy đo TGA
TGA/DSC1
LF/1100/GC10
Mettler Toledo

Thụy Sĩ
Máy đo lưu biến
Discovery Hybrid
Rheometer
TA Instruments
Anh


2.2. Nội dung nghiên cứu
2.2.1. Bào chế hệ ba thành phần
Hệ ba thành phần được bào chế theo công thức trong Bảng 4.
22

Bảng 4. Công thức bào chế hệ ba thành phần
Thành phần
Tỉ lệ (khối lƣợng/khối lƣợng)
Tween80
2%
Cetyl alcohol
4%
Stearyl alcohol
4%
Nước cất hai lần
90%

2.2.2. Tối ưu hóa phương pháp phân tích nhiệt
Tìm điều kiện tối ưu cho các thông số ảnh hưởng đến kết quả đo: khối
lượng mẫu, tốc độ gia nhiệt và tốc độ cung cấp khí Nitơ.
2.2.3. Tối ưu hóa phương pháp lưu biến
2.2.3.1. Tối ưu hóa phương pháp trượt liên tục

Tìm điều kiện tối ưu cho các thông số ảnh hưởng đến kết quả đo: khối
lượng mẫu và thời gian một chu kì đo.
2.2.3.2 . Tối ưu hóa phương pháp dao động
Xác định thời gian cân bằng và vùng đàn hồi nhớt tuyến tính của mẫu.
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1. Quy trình bào chế hỗn hợp ba thành phần
Hệ ba thành phần được điều chế bằng cách nung chảy hỗn hợp alcol
béo và Tween 80 ở nhiệt độ 70
o
C. Alcol béo được khuấy bằng máy khuấy với
tốc độ 700 vòng/phút trong 5 phút ở 70
o
C. Giữ nguyên nhiệt độ và tốc độ
khuấy, thêm từ từ nước vào khuấy trong vòng 5 phút. Tiếp tục khuấy ở nhiệt
độ 70
o
C với tốc độ 500 vòng/phút trong 3 phút. Trong giai đoạn làm nguội,
hỗn hợp được khuấy ở tốc độ 500 vòng/phút trong 1 phút và sau đó 300
23

vòng/phút đến khi đạt nhiệt độ phòng. Hệ ba thành phần được bảo quản ở
nhiệt độ phòng.
2.3.2. Tối ưu hóa phương pháp phân tích nhiệt.
Trong phép đo TGA, mẫu được phân tích trong một chu kỳ nhiệt với
khoảng nhiệt độ từ 25
o
C đến 105
o
C. Mẫu được đựng trong đĩa nhôm oxit có
dung tích 70 µL. Khí được sử dụng là Nitơ. Các dữ liệu được xử lý bằng phần

mềm STARe phiên bản 13.00 và Microsoft Excel 2010.
Tiến hành tối ưu hóa phép đo TGA tức là đi tìm các điều kiện thích hợp
nhất cho các yếu tố của hóa chất và thiết bị có ảnh hưởng đến kết quả đo. Ở
đây tối ưu hóa lần lượt ba thông số khối lượng mẫu, tốc độ gia nhiệt và tốc độ
cấp khí. Ảnh hưởng của ba thông số này lần lượt được khảo sát bằng cách cố
định hai trong ba thông số này, thay đổi thông số còn lại để tìm giá trị tối ưu
cho thông số đó. Sau khi tìm được giá trị tối ưu cho một thông số thì sử dụng
giá trị đó cho phép đo tìm giá trị tối ưu cho thông số tiếp theo. Với mỗi điều
kiện của phép đo tiến hành lặp lại 6 lần. N
2
Quá trình tối ưu hóa phép đo TGA được mô tả cụ thể trong Hình 7.