Yury Yarovoy，Albert J. Post（美國(guó)康涅狄格州特朗布爾聯(lián)合利華研究所）

肥皂性能的評(píng)定方法（二）

Yury Yarovoy，Albert J. Post
（美國(guó)康涅狄格州特朗布爾聯(lián)合利華研究所）

研究了全球肥皂廠家或研發(fā)實(shí)驗(yàn)室采用的評(píng)定方法，這些評(píng)定的目的是為了確保其滿足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，并最終保證消費(fèi)者對(duì)他們購(gòu)買到的肥皂產(chǎn)品感到滿意。一般來(lái)說(shuō)，評(píng)定方法包括分析化學(xué)檢測(cè)（評(píng)定原材料和成品）、材料學(xué)法（評(píng)定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)）以及消費(fèi)者可見屬性的直接測(cè)試（例如泡沫、濕皂觸感和磨損率）。這些檢測(cè)可在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行或通過(guò)消費(fèi)者評(píng)估進(jìn)行。

肥皂；檢測(cè)方法；泡沫評(píng)定；磨損率；觸感；香料；濕裂

（上接第4期第70頁(yè)）

5 皮膚溫和性

經(jīng)常使用普通肥皂以及其他清潔產(chǎn)品可能導(dǎo)致皮膚越來(lái)越干燥緊繃。對(duì)于干燥敏感性皮膚的人群來(lái)說(shuō)，在寒冷干燥的季節(jié)用這些清潔產(chǎn)品洗臉時(shí)，情況尤為嚴(yán)重。可以通過(guò)臨床人體實(shí)驗(yàn)和各種實(shí)驗(yàn)室分析體外實(shí)驗(yàn)對(duì)清潔產(chǎn)品引起皮膚干燥以及對(duì)皮膚產(chǎn)生刺激的可能性進(jìn)行評(píng)定。由于進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)費(fèi)用通常較高，因此一開始用體外實(shí)驗(yàn)來(lái)篩選產(chǎn)品不失為一個(gè)好辦法。

玉米醇溶蛋白實(shí)驗(yàn)（zein test）是最常見的溫和性實(shí)驗(yàn)之一，該實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定清潔堿性溶液中非水溶性玉米醇溶蛋白（zein）的溶解性來(lái)判定肥皂對(duì)蛋白質(zhì)的影響。Goette和Schwuger已經(jīng)證明表面活性劑對(duì)玉米醇溶蛋白的溶解力與其對(duì)皮膚的刺激性密切相關(guān)。玉米醇溶蛋白含量越低，那么該產(chǎn)品對(duì)皮膚越溫和。一般來(lái)說(shuō)，該實(shí)驗(yàn)包括測(cè)定溶解玉米醇溶蛋白的百分比，步驟如下：

（1） 準(zhǔn)備30g 1%清潔堿性溶液；

（2） 加入1.5g玉米醇溶蛋白，混合1h；

（3） 在3000r/min轉(zhuǎn)速下離心30min；

（4） 提取顆粒，用水沖洗，在真空狀態(tài)下干燥24h（或達(dá)到恒重）；

（5） 測(cè)定干燥顆粒的重量。

用下列公式計(jì)算溶解玉米醇溶蛋白的百分比（Post等，1998；Fujiwara，1999）：

溶解的玉米醇溶蛋白= ［1- （ 干燥顆粒重量/1.5 ）］×100%

可以使用前臂對(duì)比應(yīng)用實(shí)驗(yàn)（FCAT）對(duì)肥皂的溫和性進(jìn)行最終評(píng)定。FCAT是評(píng)測(cè)個(gè)人清潔劑相對(duì)刺激性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法（Ertel，1995）。該實(shí)驗(yàn)通常由獨(dú)立的注冊(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作。FCAT使用暴露法對(duì)洗滌前、中、后的皮膚狀況進(jìn)行評(píng)定。該方法是以消費(fèi)者洗滌習(xí)慣和大量?jī)x器分析技術(shù)（例如皮膚傳導(dǎo)率和經(jīng)表皮失水）為依據(jù)的，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后肉眼觀察皮膚的干燥度和發(fā)紅（紅斑）情況。

6 香料

盡管香料對(duì)肥皂的清潔功效沒有任何作用，但它能吸引消費(fèi)者，提高產(chǎn)品形象，并能增加消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品性能的主觀好感。香料可以掩蓋原料的基本氣味，這是其重要作用之一。該功能只能由專家小組進(jìn)行評(píng)定（通常在香料間進(jìn)行）；香料的另一個(gè)作用是在使用肥皂時(shí)以及使用后產(chǎn)生愉悅的嗅覺感受，淋浴時(shí)香料從肥皂中的釋放能力，肥皂中香料隨時(shí)間推移的保留能力以及香料在皮膚上的附著力都與此密切相關(guān)。這些都可以使用頂空分析儀進(jìn)行測(cè)定。該方法先捕獲蒸氣，然后用常規(guī)氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）進(jìn)行分析。最近有一種方法在分析實(shí)驗(yàn)室中取得了廣泛應(yīng)用，即固相微萃?。⊿PME），該方法不需要使用有機(jī)溶劑和復(fù)雜的儀器。使用此方法時(shí)，蒸氣吸附在細(xì)纖維頭上，然后直接注入GC-MS中。關(guān)于該方法的更多詳情可在其他文獻(xiàn)中找到（Smith，2004）。

使用SPME法評(píng)定頂空香料一般包括以下幾步：將肥皂放入罐中并用聚乙烯薄膜覆蓋；在醞釀期過(guò)后，將事先準(zhǔn)備好的100pm PDMS纖維插入罐中進(jìn)行頂空萃取30min；萃取完成后用GC-MS進(jìn)行分析。氣相色譜柱以及解吸溫度的具體情況與所用的氣相色譜-質(zhì)譜儀的種類有關(guān)。

該方法可用來(lái)測(cè)定整皂、皂泥或稀釋溶液的頂空（以此來(lái)測(cè)定洗滌期間香料的釋放情況），也可測(cè)定皮膚頂空，從而確定洗滌后香料的吸附性。圖5所示的是后面的這種實(shí)驗(yàn)。在此實(shí)驗(yàn)中，用待檢肥皂清洗前臂皮膚，然后用玻璃罐覆蓋這塊皮膚，最后將吸附香料的微纖維放入罐內(nèi)。

圖5 使用SPME評(píng)定香料特性

7 用戶小組評(píng)定

肥皂評(píng)定中也包括采用受過(guò)培訓(xùn)（專業(yè)）或未受過(guò)培訓(xùn)的小組成員來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試。多數(shù)消費(fèi)品公司在產(chǎn)品研制的一個(gè)或多個(gè)階段采用消費(fèi)者測(cè)試小組或?qū)＜倚〗M進(jìn)行評(píng)定。由幾百人組成的評(píng)定小組可用來(lái)證實(shí)新的樣品是否滿足上市標(biāo)準(zhǔn)。在研發(fā)的早期和中期階段，專業(yè)小組或未受訓(xùn)小組的評(píng)定常有助于指導(dǎo)配方研制，因?yàn)檫@些人員可以對(duì)產(chǎn)品的一個(gè)或多個(gè)感官特性進(jìn)行評(píng)定，而這些是很難通過(guò)儀器分析技術(shù)進(jìn)行定量的。

實(shí)驗(yàn)可以使用儀器對(duì)產(chǎn)品特征（例如泡沫體積、糊狀物、濕皂觸感以及洗滌后的皮膚感覺）進(jìn)行定量評(píng)定或通過(guò)受訓(xùn)技術(shù)人員進(jìn)行評(píng)定，但有時(shí)確定消費(fèi)者偏好或感覺的最好方法可能還是人的評(píng)定。例如對(duì)肥皂的香氣進(jìn)行評(píng)定。氣相色譜儀確實(shí)可以檢測(cè)到產(chǎn)品釋放到空氣中的分子并對(duì)其進(jìn)行定量測(cè)定，然而對(duì)香氣是否喜歡則是由人定性判定的。因此，運(yùn)用專業(yè)或非受訓(xùn)消費(fèi)者測(cè)試小組有助于為產(chǎn)品選擇合適的香料，并且可以將專門小組成員的定性判定繪制到量表上，從而得到定量測(cè)定。就泡沫來(lái)說(shuō)，盡管通過(guò)儀器或?qū)I(yè)測(cè)量器可以定量測(cè)定泡沫體積或泡沫產(chǎn)生速度，但消費(fèi)者感覺體驗(yàn)仍然會(huì)影響到產(chǎn)品的接受度。儀器測(cè)定可能無(wú)法與消費(fèi)者偏好充分相關(guān)，或者說(shuō)儀器測(cè)定可以區(qū)分那些一般消費(fèi)者感受不到的細(xì)微差別。在這種情況下，小組測(cè)試提供了最相關(guān)的產(chǎn)品鑒定，并且熟悉一些消費(fèi)者實(shí)驗(yàn)的基本情況對(duì)產(chǎn)品研發(fā)工程師來(lái)說(shuō)也是有用的。

M o s k o w i t z已經(jīng)論述了消費(fèi)者測(cè)試步驟（Moskowitz，1984）。實(shí)驗(yàn)記錄了幾個(gè)測(cè)試方法可供使用，這些方法所用的小組人數(shù)較少，并且有助于指導(dǎo)早期的產(chǎn)品研發(fā)。正如三角形實(shí)驗(yàn)或相同-不同實(shí)驗(yàn)（帶有2個(gè)原型）一樣，也可以使用強(qiáng)迫選擇實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)需要的專門小組成員人數(shù)相對(duì)較少。小組成員需要區(qū)分出一組3個(gè)樣本中的不同產(chǎn)品，或者他們需要判斷2個(gè)產(chǎn)品是否相同；如果不同的話，需指出差別何在。大量系統(tǒng)誤差需要避免，如果小組成員得到太多信息的話，期望誤差就會(huì)增加。這些信息可能包括虛假暗示，比如當(dāng)我們?cè)谠蜕腺N上虛假標(biāo)簽（如“1”或“a”），雖然此標(biāo)簽與雛形產(chǎn)品的真實(shí)特性毫不相干，但卻可引起人們的普遍偏見（例如，更加關(guān)注貼有“1”或“a”標(biāo)簽的產(chǎn)品）。為雛形產(chǎn)品隨機(jī)分配三位數(shù)代碼可以避免此類期望誤差。另一個(gè)系統(tǒng)誤差是位置誤差。在三點(diǎn)實(shí)驗(yàn)法中，不應(yīng)該將3個(gè)樣品排成一行。這是因?yàn)榕懦梢恍械脑?，人們都傾向于選擇中間的樣品。因此，應(yīng)該將雛形樣品排成三角形，這也就是此方法的名稱來(lái)源。另外，在小組成員對(duì)比多個(gè)雛形樣品的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)每個(gè)小組成員而言，這些樣品都必須隨機(jī)排列。各種不同的產(chǎn)品感官檢驗(yàn)操作要求已被寫入標(biāo)準(zhǔn)，從而避免這些錯(cuò)誤的發(fā)生（ASTM E1885-04關(guān)于三角測(cè)試）。

8 皂塊硬度

清潔用皂塊的硬度這一產(chǎn)品特性通常并不能左右消費(fèi)者的接受度，這是因?yàn)榻^大多數(shù)市售商品在這方面的差別很小，以至于消費(fèi)者感覺不出來(lái)。所有產(chǎn)品應(yīng)該在室溫下存在一個(gè)硬度的閾值，儀器實(shí)驗(yàn)檢出的差異在觸摸時(shí)通常并不能感知出來(lái)。因此，就肥皂硬度而言，消費(fèi)者的基本要求是手握皂塊時(shí)不要變形。然而，肥皂必須有一定的韌性，以便當(dāng)對(duì)其快速施加較大壓力時(shí)（例如使用者丟掉肥皂），肥皂僅會(huì)凹陷而不會(huì)碎掉。清潔皂塊的相結(jié)構(gòu)保證了其具有這種特性。在室溫下進(jìn)行的清潔皂塊硬度實(shí)驗(yàn)僅用于在研發(fā)過(guò)程中明確排除不合適的組成成分。

硬度實(shí)驗(yàn)在生產(chǎn)車間很重要，因?yàn)槟骋环秶漠a(chǎn)品硬度可使得工廠生產(chǎn)效率最高并且生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量最好。對(duì)于通過(guò)擠壓和沖壓生產(chǎn)出來(lái)的肥皂而言，如果太軟，肥皂上面將有很多沖壓缺陷；而如果肥皂太硬的話，擠出速度會(huì)不穩(wěn)定或者擠出速率有限，達(dá)不到所期望的生產(chǎn)效率。對(duì)鑄造生產(chǎn)的皂塊而言，如果太軟的話，也可能會(huì)有處理缺陷，但擠壓和沖壓生產(chǎn)對(duì)肥皂硬度更敏感，因此我們的評(píng)價(jià)方法主要考慮擠壓皂塊。由于原料特性（例如脂肪鏈長(zhǎng)分布或濕度）以及環(huán)境因素（例如廠房外界條件或儲(chǔ)藏條件）不同（兩者均會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品在進(jìn)入擠壓過(guò)程中含水量和溫度變化），哪怕組成成分相同，車間生產(chǎn)出的不同批次產(chǎn)品的硬度也會(huì)不同。

在工廠環(huán)境下清潔皂塊最實(shí)用的硬度表征方法包括用針、圓錐或金屬絲進(jìn)行壓入或穿透實(shí)驗(yàn)。這些設(shè)備生產(chǎn)廠家可能將此測(cè)定叫做硬度實(shí)驗(yàn)，或者叫屈服應(yīng)力（或緊致度）測(cè)定。穿透實(shí)驗(yàn)原理如下：利用圓錐的自身重量使其進(jìn)入肥皂樣品中，圓錐的下沉運(yùn)動(dòng)受到肥皂阻力的阻礙。當(dāng)足夠多的圓錐進(jìn)入到肥皂中以至于肥皂材料的變形阻力與圓錐負(fù)重相當(dāng)時(shí)，穿透最終停止下來(lái)。穿透深度用作產(chǎn)品柔軟度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。換句話說(shuō)，圓錐穿透停止時(shí)的平衡力可用于確定硬度H，公式如下：

其中W代表引起變形的總負(fù)荷（重量），Ac代表接觸面積（用穿透深度 d 和圓錐角度α表示）（見圖6）。雖然該公式可以對(duì)不同圓錐及負(fù)重的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，但最好能固定圓錐及負(fù)重，僅需記錄穿透深度。

公式（1）中的硬度H的單位為應(yīng)力。它可能與屈服應(yīng)力（即引起物質(zhì)流動(dòng)所需的最小應(yīng)力）有關(guān)，這是因?yàn)閳A錐實(shí)際上已經(jīng)停止運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)自身在阻止H應(yīng)力引起的變形。由于存在兩種應(yīng)力，即張應(yīng)力（沿著外力方向）和摩擦應(yīng)力（與圓錐表面相切），因此難以對(duì)該實(shí)驗(yàn)的基本物質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析。要想?yún)^(qū)分這些影響，需要更加詳盡地了解軟固體（如肥皂）的材料性質(zhì)。關(guān)于壓痕實(shí)驗(yàn)及其與屈服應(yīng)力之間的關(guān)系，更多詳情請(qǐng)參閱其他文獻(xiàn)（Adams等，1996）。該實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)難點(diǎn)在于，肥皂在負(fù)載作用下繼續(xù)變形，因此，圓錐看起來(lái)停止運(yùn)動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)的選擇具有較大不確定性。如果等待兩倍時(shí)長(zhǎng)或者十倍時(shí)長(zhǎng)，那么圓錐的穿透深度會(huì)更大一些。實(shí)驗(yàn)僅僅只是接近零穿透速度而已。因此，進(jìn)行錐形穿入計(jì)實(shí)驗(yàn)及類似實(shí)驗(yàn)需要選擇相同條件，包括重量規(guī)格、穿透器幾何形狀以及接觸時(shí)間?？梢允褂靡恍┥约痈牧嫉臉?biāo)準(zhǔn)方法，例如適用于錐體穿透礦脂、針穿透瀝青材料或石油蠟的標(biāo)準(zhǔn)ASTM實(shí)驗(yàn)（ASTM，2004-2007）。

圖6 錐形穿入計(jì)

圖7所示為比較少見的穿透器，它是使用金屬絲穿過(guò)肥皂的。注意肥皂橫切面是放在支架上的方式。正如圓錐穿透器一樣，當(dāng)金屬絲穿透足夠多的肥皂以至于肥皂阻力與金屬絲重量相當(dāng)時(shí)，金屬絲停止運(yùn)動(dòng)。針對(duì)金屬絲的幾何形狀，硬度被定義為投影面積上的作用力：

其中L是金屬絲停止運(yùn)動(dòng)時(shí)支撐其重量的肥皂長(zhǎng)度，d表示金屬絲的直徑。與前述實(shí)驗(yàn)一樣，由于金屬絲會(huì)繼續(xù)穿透肥皂（盡管非常緩慢），應(yīng)當(dāng)隨意選擇接觸時(shí)間（1min較為合適）。

圖7 金屬絲穿透器

另一種實(shí)驗(yàn)是將肥皂設(shè)定為恒定應(yīng)變率（探針恒速運(yùn)動(dòng)），并測(cè)定維持此應(yīng)變率所需的力量。與探針移動(dòng)相關(guān)的力量或應(yīng)力有時(shí)被稱為錐入度。最早報(bào)道的肥皂硬度實(shí)驗(yàn)是由Bowen和Thomas以及Void和Lyon完成的，Barnes對(duì)其中一些試驗(yàn)進(jìn)行了闡述。這些研究人員使用的是切面測(cè)定法，即金屬絲運(yùn)動(dòng)穿透物質(zhì)。Barnes對(duì)初始研究進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并將他得到的結(jié)果表示為張應(yīng)力σ和張性應(yīng)變率ε，公式如下：

其中?是移動(dòng)穿透肥皂的金屬絲長(zhǎng)度，R代表金屬絲半徑，V是金屬絲的速度，K1和K2是無(wú)量綱常數(shù)。他建議K1和K2可視為一樣。最先工作人員報(bào)道了指定V（或者在極限情況下V接近0）時(shí)所需的力量。Barnes將張應(yīng)力繪制成ε的函數(shù)圖，并推斷出ε=0，這為拉伸流動(dòng)提供了有效屈服應(yīng)力。他發(fā)現(xiàn)一般香皂的屈服應(yīng)力范圍為2×105～5×105Pa。

可以使用儀器進(jìn)行各種探針的恒應(yīng)力或恒應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)。通用穿透器是一種簡(jiǎn)單設(shè)備，將負(fù)重針或圓錐放在物質(zhì)中然后測(cè)量最大穿透深度；Humboldt制造公司生產(chǎn)了一款這種儀器（Humboldt制造公司，2008）。這是恒應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，該設(shè)備報(bào)告了穿透深度但沒有報(bào)告如公式（1）所示的硬度。正如美國(guó)材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)所述，用于測(cè)定瀝青材料硬度的ASTM試驗(yàn)D5-05a描述如何使用這種穿透器。有一種叫砂型表面硬度計(jì)（473“B”比例模型）的手持簡(jiǎn)易設(shè)備可能適合測(cè)定生產(chǎn)線上的肥皂，該設(shè)備是由Dietert公司生產(chǎn)用于鑄造業(yè)測(cè)定濕砂模硬度的（Dietert鑄造試驗(yàn)設(shè)備公司，2008）。該設(shè)備使用簧壓圓珠筆樣穿透器并測(cè)定其穿透深度。Stable Micro Systems公司銷售的物性分析儀是一種更復(fù)雜的穿透器，它在食品制造業(yè)有著廣泛的運(yùn)用（Stable Micro Systems公司，2008）。有很多穿透工具可供操作者選擇。根據(jù)穿透速度和最大穿透深度可確定最大力量。Chacillon機(jī)械測(cè)試儀（MT150系列）是另一種精密穿透器，它可得出力與穿透速度的函數(shù)（Chatillon Brand Products，2008）。

9 流變學(xué)特性

流變學(xué)研究的是物質(zhì)的流動(dòng)和形變特性（Macosko，1994）。測(cè)定肥皂硬度只是其流變特性的一個(gè)方面。要想更好地了解擠壓和沖壓操作過(guò)程中的肥皂特性，需要對(duì)肥皂流變學(xué)特征有更深入的了解。1980年發(fā)表的一篇綜述（Barnes，1980）是目前公開文獻(xiàn)中對(duì)此主題進(jìn)行的最全面的相關(guān)討論。近些年來(lái)，同行評(píng)議的科學(xué)文獻(xiàn)很少刊載皂塊材料的流變學(xué)，已出版作品，則主要針對(duì)于專利技術(shù)。

在常規(guī)擠壓加工溫度下（38～45℃），膠體長(zhǎng)度量表（≈0.001～1μm）上的肥皂材料結(jié)構(gòu)是粘性流體中各種固體的濃縮混懸液，它被比作“磚和灰漿”（Hill&Moaddel，2004）。固體磚大部分由C16和更長(zhǎng)鏈飽和脂肪肥皂結(jié)晶組成，將其嵌入連續(xù)灰漿相（由C12、較短飽和肥皂、C18不飽和肥皂、水和鹽組成）。可在灰漿相中撒入其他固體，如滑石、粘土和淀粉。由15%濕度條件下皂塊（僅由80/20牛羊油/椰油皂組成）的已知鏈長(zhǎng)分布可知，結(jié)晶磚（或長(zhǎng)鏈脂肪肥皂結(jié)晶）約占重量的42%?；覞{是固體和液體的混合物，兩者的相對(duì)數(shù)量取決于溫度。實(shí)驗(yàn)只期望在加工溫度范圍內(nèi)約有一半的灰漿為固體。

肥皂的相結(jié)構(gòu)決定了它的流變性質(zhì)，而流變性質(zhì)又決定了擠壓和沖壓極限。擠壓生產(chǎn)線通常由沖壓機(jī)控制。設(shè)定好沖壓率，控制系統(tǒng)將調(diào)節(jié)擠壓機(jī)使其出皂率達(dá)到指定要求。因此，也要相應(yīng)調(diào)節(jié)擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速。當(dāng)肥皂原料通過(guò)擠壓處理時(shí)其溫度通常會(huì)升高，擠壓過(guò)程通常由一臺(tái)或多臺(tái)精制機(jī)和一臺(tái)最終擠壓機(jī)完成。肥皂的溫度升高有效調(diào)節(jié)了灰漿相的液體比率，從而使得肥皂擠出率可達(dá)到指定要求。對(duì)于指定肥皂原料而言，存在一個(gè)螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)于最大生產(chǎn)量。超過(guò)該螺桿轉(zhuǎn)速，生產(chǎn)量會(huì)下降，這是因?yàn)榉试戆褰Y(jié)住了，也就是說(shuō)，肥皂在螺桿上旋轉(zhuǎn)。板結(jié)源于形成了過(guò)多的液相，液相減少了擠出機(jī)料筒壁的摩擦力。肥皂配方的相結(jié)構(gòu)及其引起的流變學(xué)應(yīng)當(dāng)使得擠出率達(dá)到?jīng)_壓機(jī)的要求，但是溫度升高太多會(huì)引起過(guò)度軟化，從而使得沖壓缺陷的發(fā)生概率增大。因此，肥皂流變學(xué)特征（特別是與溫度的函數(shù)關(guān)系）可用來(lái)研究配方的處理極限。

“軟固體”這一用詞很適合用來(lái)描述肥皂材料。軟固體在短時(shí)經(jīng)受微小應(yīng)變時(shí)表現(xiàn)為彈性固體；當(dāng)經(jīng)受較大應(yīng)力時(shí)，會(huì)變形且不會(huì)恢復(fù)原樣；如果施加應(yīng)力超過(guò)臨界值（屈服應(yīng)力），那么它會(huì)像液體一樣流動(dòng)。此類材料有一個(gè)簡(jiǎn)明的科學(xué)名稱：粘彈塑性流體。Hooke定律定義了屈服應(yīng)力σy下應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)胖g的關(guān)系

其中E為彈性模量，Herschel-Bulkley方程式表明了屈服應(yīng)力下應(yīng)力和應(yīng)變率之間的關(guān)系：

其中k稱為稠度指數(shù)，n稱為流動(dòng)指數(shù)。方程式（5）和（6）所示特性在圖8中用虛線予以表示。屈服應(yīng)力的測(cè)定取決于所用的實(shí)驗(yàn)方法，方程式（5）和（6）所控范圍之間的顯著性差異是理想化的。Barnes已經(jīng)證明軟固體都不具有真實(shí)屈服應(yīng)力，因?yàn)橹灰覀兊却銐蜷L(zhǎng)的時(shí)間，在有限應(yīng)力作用下，幾乎所有的軟固體材料均會(huì)流動(dòng)或變形。盡管發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，但方程式（6）在描述軟固體（如肥皂）的流動(dòng)特性方面仍然具有深遠(yuǎn)意義。

圖8 軟固體的流變特性

將軟固體擠壓通過(guò)孔口可用于實(shí)際評(píng)測(cè)其屈服應(yīng)力，同時(shí)還能獲得流動(dòng)稠度和流動(dòng)指數(shù)。利用毛細(xì)管流變儀裝置使用孔板配件可進(jìn)行此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。用直徑為Dt的壓頭將肥皂壓過(guò)圓筒（筒徑=Dt）底部上的孔口（直徑為D），用力傳感器記錄壓頭以Vt速度運(yùn)動(dòng)所需的壓力F。Benbow等（Benbow&Bridgewater，1993）得出了一條關(guān)于沖壓通過(guò)孔口糊狀物壓降的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，通常稱為Benbow-Bridgewater方程式：

其中V是物質(zhì)的出口速度，P代表壓降。測(cè)定的壓頭上的施加力F與P的關(guān)系為，出口速度V與壓頭速度Vt的關(guān)系為V = Vr（ Dr/ D ）2。方程式（7）的σy和n是Hershel-Bulkley關(guān)系（方程式（6））中的屈服應(yīng)力和流動(dòng)指數(shù)，C為常量。可以通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)壓差和速度繪制函數(shù)圖以及確定壓力軸上曲線截距2σyln （ Dr/ D ）來(lái)測(cè)定屈服應(yīng)力。如果需要的話，流動(dòng)指數(shù)可表示為logP對(duì)logV漸近線的斜率（在V較大時(shí)）。

Basterfield等的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，通過(guò)對(duì)孔口擠壓進(jìn)行更加精密的分析，所有3個(gè)Hershel-Bulkley參數(shù)均可獲得（Basterfield，2005）。實(shí)驗(yàn)獲得的壓差表達(dá)式與Benbow-Bridgewater方程式類似：

其中各參數(shù)與上述方程式同義，A是與幾何形狀和流動(dòng)指數(shù)n相關(guān)的參數(shù)，作者建議可以將其近似表達(dá)為

上述φ是當(dāng)材料穿過(guò)孔口時(shí)形成漏斗形的角度。Basterfield及其合作者指出該角度可接近45o。從方程式（8）求出所有3個(gè)Hershel-Bulkley參數(shù)比從方程式（7）求出這些參數(shù)要稍微復(fù)雜一點(diǎn)，但是確定屈服應(yīng)力的方法是一樣的。

屈服應(yīng)力數(shù)值及其他Hershel-Bulkley參數(shù)取決于溫度和成分，尤其與含水量密切相關(guān)。對(duì)于室溫下的多脂香皂而言，Barnes提供了數(shù)量級(jí)的估計(jì)值（Barnes，1980），數(shù)值如下：σy～5×105Pa，k～3× 105Pa，n～0.2。

如果車間操作可以根據(jù)硬度測(cè)定（聯(lián)機(jī)自動(dòng)進(jìn)行或由操作者進(jìn)行）加以改進(jìn)的話，這將是非常合宜的，但車間調(diào)整極少能改變產(chǎn)品的流變學(xué)。向顆?；旌衔镏屑尤肷倭克梢攒浕?，對(duì)肥皂進(jìn)行較少的機(jī)械操作，生產(chǎn)出的肥皂越硬。可以進(jìn)行一項(xiàng)簡(jiǎn)單的機(jī)械改變：將精制機(jī)的篩網(wǎng)換成篩眼尺寸更大或更小的篩網(wǎng)。如果篩眼較大，或者根本沒有篩網(wǎng)，對(duì)肥皂進(jìn)行的作用也會(huì)較少，這將降低擠出溫度從而使得肥皂變得稍硬一點(diǎn)。此方法的不利之處在于，可能需要使用某一篩眼尺寸的篩網(wǎng)來(lái)將染料充分混合到肥皂中。

理論上，如果配方太軟或太硬無(wú)法使用工廠設(shè)備生產(chǎn)，那么在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中就應(yīng)該將該配方排除掉，或者可以調(diào)節(jié)設(shè)備來(lái)適應(yīng)該配方。然而，工廠測(cè)定產(chǎn)品硬度仍有助于確定生產(chǎn)線性能與以下因素變化具有什么樣的相關(guān)性，這些因素包括肥皂成分（在一種配方或不同配方的范圍內(nèi)）、環(huán)境溫度和濕度，存儲(chǔ)情況以及機(jī)械設(shè)置。

10 結(jié)語(yǔ)

人們已經(jīng)生產(chǎn)肥皂數(shù)百年了，評(píng)估方法隨著產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展以及消費(fèi)者的需求變化而同步發(fā)展。本文介紹了用于評(píng)估與消費(fèi)者相關(guān)的個(gè)人清洗肥皂特性以及與生產(chǎn)工藝有關(guān)的肥皂材料流變學(xué)特性的現(xiàn)有評(píng)估方法。一般來(lái)說(shuō)，個(gè)體公司僅在內(nèi)部文件中描述一些評(píng)測(cè)方法，大眾通常是無(wú)法獲知的。因此，本文嘗試盡量從公開資料（例如專利論文以及科學(xué)或工程出版物）中為讀者提供參考信息。因此，本文可能成為更進(jìn)一步研究的起點(diǎn)。 （全文完）

（上海制皂有限公司 劉偉毅 譯，張育新 編校）

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1672-2701（2016）06-63-07