스피큘 항복응력
제형 속에서 가라앉지 않는 기준과 시험법
항복응력은 제형이 흐르기 시작하려면 넘어야 하는 최소한의 힘입니다(단위 Pa · 파스칼). 젤·크림 속 그물이 스피큘 하나의 무게를 버티면 스피큘은 그 자리에 멈춥니다. 스피큘 제형을 설계하고 확인할 때 쓰는 기준과 시험법을 정리했습니다.
이 면의 수치 읽는 법
수치마다 표식을 붙였습니다. 「셈 · 추정」은 물리 셈으로 자릿수까지 믿는 값, 「셈 · 사이즈별 재셈 대기」는 스피큘 사이즈별로 다시 셈할 값, 「실측 · 시험성적서」는 외부 기관 성적서 값, 「문헌 범위 · 추정」은 일반 문헌 값의 범위입니다. 우리 젤·크림의 항복응력은 미측정이며, 측정 뒤 이 면에 덧붙입니다.
항복응력은 제형 속 그물이 만든다
젤과 크림 속에는 그물이 있습니다. 젤은 중화된 카보머 알갱이가 부풀어 서로 맞물린 그물이고, 크림은 지방 알코올과 유화제가 물 사이에 겹겹이 쌓은 층(라멜라 겔 그물)입니다.
스피큘 하나가 제 무게로 누르는 힘이 이 그물이 버티는 힘(항복응력)보다 작으면, 스피큘은 그 자리에 멈춥니다.
점도가 아니라 항복응력이다
- 점도는 가라앉는 속도를 늦출 뿐 멈추지 못합니다. 항복응력이 없는 10,000 mPa·s 액에서도 긴 스피큘은 약 0.1~0.2 mm/h 의 속도로 내려갑니다(방향에 따라 다름).셈 · 사이즈별 재셈 대기
- 항복응력이 있으면 점도가 낮아도 멈춥니다.
- 카보머처럼 점도를 올리는 원료가 대개 항복응력도 함께 만들어서 「점도를 높이면 안 가라앉는다」가 현장에서 맞아 보였을 뿐입니다. 기준 말은 항복응력입니다.
스피큘이 그물에 거는 힘 — 놓인 방향이 정한다
스피큘의 진밀도는 2.0417 g/cm³ 로 물보다 무겁습니다. 그래서 그물이 없으면 가라앉습니다. 그물에 거는 힘은 스피큘이 놓인 방향에 따라 다릅니다.실측 · 시험성적서
방향별 셈은 한 가지 스피큘 길이를 놓고 한 셈입니다. 사이즈별 재셈을 진행 중이며, 값이 나오면 이 표를 사이즈별로 바꿉니다.
- 스피큘은 표면적이 넓어 같은 부피의 구보다 덜 가라앉습니다. 특히 누운 침은 그물에 거는 힘이 아주 작습니다.
- 속이 빈 침이라 축관에 제형이 차면 실제 무게는 더 가볍습니다. 위 셈은 속이 꽉 찬 것으로 둔 안전한 쪽 값입니다.
설계 기준
항복응력 1 Pa 이상셈 · 사이즈별 재셈 대기
가장 불리한 값(선 침) × 안전율 3
셈 위의 설계 목표입니다. 실측으로 낮출 수 있습니다.
셈 근거: 가늘고 긴 입자의 끌림 셈(세장체 근사)과 둥근 입자로 잰 문헌의 멈춤 기준 Y = σy/(Δρ·g·d) ≈ 0.1~0.15. 침 모양에서는 자릿수까지만 믿습니다. 확인은 침강 시험입니다.셈 · 추정
1 Pa 는 어느 정도인가
1 Pa 는 1 m² 넓이를 약 100 g 의 무게가 누르는 힘입니다. 아주 작은 힘입니다.시험 조건 · 환산
비유: 복사용지 한 장(80 g/m²)이 책상 위에서 누르는 힘 ≈ 0.8 Pa. 1 Pa 는 종이 한 장보다 조금 더 무겁게 누르는 정도입니다.
스피큘 하나는 아주 가벼워 이 정도만 버티는 그물이 있으면 멈춥니다. 셈으로는 약 0.35 Pa 를 넘으면 멈추고, 1 Pa 는 안전율 3 를 얹은 안전선입니다.셈 · 사이즈별 재셈 대기
제품별 항복응력
뜻: 잘 만든 카보머 젤·크림은 대개 1 Pa 를 훨씬 넘습니다(추정). 조심할 경우는 묽은 로션·세럼 꼴, 스피큘을 넣은 뒤 고속 교반으로 그물이 끊긴 경우, 산 때문에 카보머 그물이 풀린 경우입니다.
단위 환산: 원료사는 항복응력을 「yield value, dyn/cm²」 로 적기도 합니다. 1 Pa = 10 dyn/cm² 이므로 기준 1 Pa = 10 dyn/cm² 입니다.시험 조건 · 환산
우리 젤·크림의 실제 값은 미측정입니다. 재면 이 표 옆에 실측 칸을 덧붙입니다.미측정
제형별 판정
시험법
- 유변계 응력 스윕
25 ℃ 에서 가하는 응력을 조금씩 올리며 흐르기 시작하는 점(항복응력 τy)을 읽습니다. 결과 = Pa. - 베인 스핀들 항복 시험
브룩필드 계열 점도계에 베인(날개) 스핀들을 끼워 항복 값을 읽습니다. 결과 = Pa. 유변계가 없을 때의 대안입니다. - 침강 시험(젤 · 크림 필수 · 유변계 결과와 함께)
투명 병에 담아 밀봉하고 세워 둡니다. 실온과 45 ℃ 에 각각 24 h · 3 d · 7 d 에 바닥 침강층 mm 와 위 맑은 층 mm 를 적습니다. 침강층이 없으면 통과입니다. 24 h 만으로 통과라 하지 않습니다.시험 조건 · 환산 - 앰플 · 액상
같은 병 시험 뒤 손으로 뒤집어 흔들고(흔든 횟수 기록) 고르게 다시 퍼지는지, 바닥이 굳었는지 봅니다.
만들 때 그물을 지키는 법
- 스피큘은 마지막에, 40 ℃ 아래로 식은 뒤 넣습니다. 넣은 뒤 고속 교반 · 호모를 하지 않습니다(그물이 끊겨 점도와 항복응력을 잃습니다).
- 카보머 젤에 2가 염(예: 징크피씨에이)을 함께 쓰면 그물이 무너질 수 있습니다.
- 카보머는 낮은 pH 에서 그물이 풀립니다. 산 젤은 산에서도 그물을 유지하는 폴리아크릴레이트크로스폴리머-6 같은 점증제를 씁니다.
- 검 · 셀룰로오스 점증제(잔탄검 · 셀룰로오스검 · 하이드록시에틸셀룰로오스 등)는 스피큘 타격감을 줄여 스피큘 제형에 쓰지 않습니다.
미측정 — 측정 뒤 덧붙일 것
- 우리 젤의 항복응력 실측값미측정
- 우리 크림의 항복응력 실측값미측정
- 스피큘 축관 지름(셈은 속이 꽉 찬 쪽으로 둠)미측정
첫 침강 관찰과 유변계 측정 뒤 이 면에 덧붙입니다. 설계 기준 1 Pa 는 셈 위의 목표이며 실측으로 낮출 수 있습니다.
참고
- 셈: UNIZ LAB R&D 물리 셈(가늘고 긴 입자의 끌림 셈 + 둥근 입자로 잰 문헌의 멈춤 기준) · 자릿수까지 믿는 추정
- 진밀도: Protech Korea Co., Ltd. ((주)프로테크코리아) · Test report 2022-07-04~05 — AccuPyc II 1340 gas pycnometer · density 2.0417 g/cm³ (5 cycles, σ ±0.0016)