23423-1 Applied Rheology Volume 19 · Issue 2 Rheological Characterization of Concentrated Nanoclay Dispersions in an Organic Solvent Francesca Lionetto*, Alfonso Maffezzoli Department of Innovation Engineering, University of Salento, via Monteroni, 73100 Lecce, Italy * Email: francesca.lionetto@unisalento.it Fax: x39.0832.297240 Received: 15.5.2008, Final version: 3.12.2008 © Appl. Rheol. 19 (2009) 23423 Abstract: Nanoclay dispersions in organic solvents are widely used in cosmetics for a variety of gels and creams, whose properties depend on the powder content and the processing method. The control of the shear applied during processing is there- fore essential for achieving the required properties. This study demonstrates the utility of applying rheological mea- surements for characterizing cosmetic products based on nanoclays and relating their viscoelastic properties to end-use performances. In particular, a rheological characterization of bentonite dispersions in isododecane at different clay con- tent and shear history is presented. For each inorganic content, both mixed samples and samples subjected to several calendering runs were studied. The effect of shear and clay content on the viscoelastic properties was investigated by a combination of oscillatory shear experiments under small-deformation conditions and by X-Ray diffraction. The tested samples showed a gel-like behaviour with a final structure depending on the applied shear stress. By increasing the inor- ganic content in the dispersion, a reduction in the gel stability to a further shear application was observed. Two models, developed for colloidal gels, were used to fit the rheological results enabling to evaluate the microstructure and the degree of dispersion of the tested samples and to relate the colloidal structure to the elastic properties. Zusammenfassung: Dispersionen von Nanoschichtsilikaten in organischen Lösungsmitteln finden eine große Anwendung im Bereich der Kosmetika bei zahlreichen Gelen und Cremes, deren Eigenschaften vom Pulvergehalt und den Verarbeitungsbedin- gungen abhängen. Daher spielt die Kontrolle der Scherdeformation während der Verarbeitung eine wesentliche Rolle, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Diese Studie zeigt, wie nützlich die Anwendung rheologischer Mes- sungen zur Charakterisierung kosmetischer Produkte auf Basis von Schichtsilikaten und die Interpretation der viskoe- lastischen Eigenschaften bezüglich der Gebrauchseigenschaften sind. In dieser Arbeit wird eine rheologische Charak- terisierung von Bentonit-Dispersionen in Isododekan mit unterschiedlichem Füllstoffgehalt und Scherdeformationsgeschichte vorgestellt. Für sämtliche Konzentrationen wurden sowohl die Mischungen als auch Proben getestet, die mehrfach kalandriert wurden. Der Einfluss der Scherung und des Füllstoffgehaltes auf die viskoe- lastischen Eigenschaften wurde mit Hilfe kombinierter Scheroszillationsexperimente bei kleiner Amplitude und Rönt- genstreuung untersucht. Die untersuchten Proben wiesen ein gelartiges Verhalten mit einer (End-)Struktur auf, die von der Spannung während der Deformation abhing. Durch Erhöhung des Bentonit-Anteils wurde eine Erniedrigung der Stabilität des Gels bei weiterer Scherung beobachtet. Zwei Modelle, die für kolloidale Gels entwickelt wurden, wurden an die rheologischen Resultate gefittet, um die Mikrostruktur und den Grad der Dispergierung der Materi- alien zu evaluieren und die kolloidale Struktur zu den elastischen Eigenschaften in Beziehung zu setzen. Résumé: Les dispersions d’argile nanométrique dans des solvants organiques sont largement utilisées dans l’industrie cos- métique pour la formulation d’une variété de gels et crèmes dont les propriétés dépendent de la méthode de mise en œuvre et de la quantité de poudre utilisée. Le contrôle du cisaillement appliqué durant le procédé de mise en œuvre est donc essentiel afin d’obtenir les propriétés requises. Cette étude démontre l’intérêt que présente l’utili- sation de mesures rhéologiques pour caractériser les produits cosmétiques contenant des argiles nanométriques, et pour mettre en rapport leurs propriétés viscoélastiques avec les performances du produit final. En particulier, nous présentons la caractérisation rhéologique de dispersions de bentonite dans de l’isododécane possédant des concen- trations en argile et des histoires de cisaillement variées. Pour chaque composition en produit inorganique, les échan- tillons mélangés et les échantillons soumis à plusieurs procédés de calandrage ont été étudiés. L’effet de la quanti- té de cisaillement et d’argile sur les propriétés viscoélastiques a été exploré en utilisant des expériences de cisaillement oscillatoire sous condition de petite déformation et des expériences de diffraction des rayons X. Les échantillons testés ont présenté un comportement de type gel avec une structure finale qui dépend de la contrain- te de cisaillement appliquée. En augmentant la quantité d’inorganiques dans la suspension, une réduction de la sta- bilité du gel par rapport à l’application successive d’un cisaillement a été observée. Deux modèles, développés pour des gels colloïdaux, ont été utilisés pour ajuster les résultats rhéologiques, ce qui a permis d’évaluer la microstruc- ture et le degré de dispersion des échantillons testés, et de relier la structure colloïdale aux propriétés élastiques. Key words: nanoclay, gel, rheology, viscoelastic properties, cosmetics, calendering DOI: 10.1515/arh-2009-0006 Unauthenticated Download Date | 11/18/19 8:58 AM