Influencia de la cizalla en el comportamiento reológico, estructural y estabilidad física de Emulsiones formuladas con aerosil 200, Pluronic pe9400 y aceite esencial de Romero

INFLUENCIA DE LA CIZALLA EN EL COMPORTAMIENTO REOLÓGICO, ESTRUCTURAL Y ESTABILIDAD FÍSICA DE EMULSIONES FORMULADAS CON AEROSIL 200, PLURONIC PE9400 Y ACEITE ESENCIAL DE ROMERO Trabajo de fin de grado Departamento de Ingeniería Química. Facultad de Química Manuel Jiménez Márquez. Curso 2017/18 Doble grado en física e ingeniería de materiales Directoras: Dra. Dª Nuria Calero Romero y Dra. Dª Jenifer Santos García 2 ÍNDICE 1) RESUMEN ............................................................................................................................... 4 2) OBJETIVOS GENERALES ..................................................................................................... 5 3) FUNDAMENTO TEÓRICO .................................................................................................... 6 3.1. Emulsiones ......................................................................................................................... 6 3.1.1. Formulación de emulsiones verdes ............................................................................. 7 3.1.1.1 Disolventes verdes ................................................................................................. 7 3.1.1.2 Emulsificantes y estabilizantes o modificadores ................................................... 8 3.1.1.2.1. Agentes tensioactivos como emulsificantes .................................................. 8 3.1.1.2.2. Modificadores Aerosil 200 .......................................................................... 10 3.1.2. Sistemas de emulsificación. Tamaño de gotas .......................................................... 12 3.1.3. Mecanismos de desestabilización en emulsiones ...................................................... 15 3.1.3.1. Cremado/ Sedimentación ................................................................................... 15 3.1.3.2. Floculación ......................................................................................................... 16 3.1.3.3. Coalescencia ....................................................................................................... 16 3.1.3.4. Maduración de Ostwald (Ostwald ripening) ...................................................... 17 3.1.3.5. Inversión de fase ................................................................................................. 17 3.2. Reología ........................................................................................................................... 18 3.2.1. Fluidos newtonianos y no-newtonianos .................................................................... 20 3.2.2. Comportamiento no dependiente del tiempo de cizalla ............................................ 21 3.2.3. Comportamiento dependiente del tiempo de cizalla ................................................. 21 3.2.4. Materiales viscoelásticos ........................................................................................... 22 3.2.5. Ensayos reológicos .................................................................................................... 22 3.2.5.1. Curvas de flujo ................................................................................................... 22 3.2.5.2. Ensayos en cizalla oscilatoria ............................................................................. 23 4) EXPERIMENTAL .................................................................................................................. 26 4.1. Materiales ......................................................................................................................... 26 4.2. Equipos ............................................................................................................................. 26 4.3. Preparación de emulsiones ............................................................................................... 29 4.4. Preparación de emulgeles ................................................................................................. 29 4.5. Pre-tratamiento ................................................................................................................. 29 3 4.6. Ensayos ............................................................................................................................ 29 4.6.1. Medidas de difracción láser ....................................................................................... 29 4.6.2. Reología .................................................................................................................... 30 4.6.2.1. Barridos de esfuerzo y barridos de frecuencia ................................................... 30 4.6.2.2. Ensayos de flujo ................................................................................................. 30 4.6.2.3. Creep o ensayos de fluencia ............................................................................... 31 4.6.3. Estabilidad física ....................................................................................................... 31 4.6.4. Microscopía óptica y Cryo-SEM ............................................................................... 31 5) RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................................ 32 5.1. Influencia de la presión de homogeneización en el Microfluidizer ................................. 32 5.2. Influencia de la cizalla en la emulsión elegida ................................................................. 35 5.3. Caracterización del emulgel formado............................................................................... 38 5.3.1. Curva de flujo ............................................................................................................ 38 5.3.2. Determinación del intervalo viscoelástio lineal: barridos de esfuerzos .................... 39 5.4. Influencia de la cizalla en emulgeles ................................................................................ 39 5.5. Microscopía electrónica Cryo-SEM ................................................................................. 43 5.6. Estudio de la estabilidad del emulgel por dispersión de luz múltiple .............................. 46 6) CONLUSIONES ..................................................................................................................... 49 7) BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 50 4 1) RESUMEN Se prepararon emulsiones que contenían aceite esencial de romero, un conservante de alimentos natural, mediante la técnica de microfluidización. Se obtuvieron emulgeles añadiendo Aerosil 200. Se examinó la influencia de la presión de homogeneización en el tamaño de gota. Las emulsiones preparadas a 5000 psi en el Microfluidizer mostraron un menor diámetro de Sauter y fueron seleccionadas para llevar a cabo los estudios posteriores. Se ha estudiado la influencia de la cizalla en las propiedades reológicas, estabilidad física y en la microestructura de las emulsiones y emulgeles formados. La emulsión seleccionada mostraba re-coalescencia inducida por cizalla mientras que los emulgeles presentaban un alineamiento de la red-3D. Los emulgeles preparados mostraron un comportamiento dependiente del tiempo. A pesar de que las propiedades viscoelásticas decrecían en el emulgel debido a la acción de cizalla, se detectó una significante mejora en la estabilidad física con la técnica de Multiple Light Scattering. Palabras claves: aceite esencial de romero,emulsiones, emulgeles, reología, cizalla. 5 2) OBJETIVOS GENERALES Los objetivos de este trabajo fin de grado son los siguientes: 1. Obtención de emulgelesestables, formulados con aceite esencial de Romero, Pluronic PE9400 y Aerosil 200, con propiedades reológicas y tamaño de gota optimizados. 2. Optimización del tamaño de gota (el más pequeño) y homogeneidad de tamaños controlando la presión de homogenización en el Microfluidizer. 3. Estudiar la influencia de la cizalla sobre las propiedades reológicas y microestructurales de los emulgeles. 6 3) FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1.Emulsiones Una emulsión se puede definir como una dispersión termodinámicamente inestable de una fase en otra con la cual es inmiscible. Normalmente estos dos líquidos inmiscibles son una fase orgánica o aceite y una fase acuosa. En estas, una fase líquida está dispersa en la otra en forma de gotas. Aunque estas dispersiones sean termodinámicamente inestables, podemos hacer que lo sean cinéticamente estables con la ayuda de emulsionantes, como pueden ser los tensioactivos, y estabilizantes como por ejemplo polímeros o en nuestro caso Aerosil200. Los tensioactivos son sustancias que permiten conseguir o mantener una emulsión, e influyen mediante la tensión superficial en la superficie de contacto entre dos fases. Los estabilizantes incrementan la viscosidad de la fase continua o crean una red de gel dentro de la fase continua. Las emulsiones se pueden clasificar dependiendo de cómo sea la distribución del aceite y de la fase acuosa. Cuando el aceite es la fase dispersa se conocen como emulsiones de aceite en agua (oil-in-water, O/W) y cuando la fase dispersa es agua, la emulsión se conoce como emulsiones de agua en aceite (wáter-in-oil, W/O). Se suele cumplir la regla de Bancroft: aquella fase en la cual solubiliza el agente emulsificante es la continua. (Griffin, 1946). Por lo que, dependiendo de en qué fase solubilice el tensioactivo se tendrá un tipo de emulsión u otro. Figura1. Esquema de los tipos de emulsión O/W y W/O. 7 Las emulsiones son de sumo interés en numerosos productos de uso diario como son las cremas, algunos alimentos, o productos agroquímicos como insecticidas y pesticidas. En el sector cosmético, las cremas protectoras para los rayos UV, hidratantes, etc son emulsiones de partículas aceitosas dispersas en agua. La presencia de un agente gelificante en la fase acuosa, convierte a una emulsión convencional en un emulgel. Los emulgeles se pueden describir como sistemas compuestos en los cuales, las gotas de aceite se pueden considerar partículas de relleno atrapadas dentro de una matriz gel (Langley, 1990). Las emulsiones gel presentan una combinación de las ventajas de las emulsiones y de los geles en la liberación controlada para uso tópico y transdérmico. 3.1.1. Formulación de emulsiones verdes 3.1.1.1 Disolventes verdes La naturaleza de la fase aceite tiene una gran influencia en la formación y en la estabilidad de las emulsiones. Hay un interés creciente de sustituir disolventes convencionales por disolventes verdes y/o aceites esenciales. Todo esto se debe a que los convencionales suponen riesgos para el medio ambiente, así como de seguridad. La gran parte de los disolventes convencionales son productos orgánicos volátiles (COV). Estos compuestos agrupan a una gran cantidad de sustancias químicas que se convierten de forma sencilla en gases y pueden tener efectos nocivos sobre el medio ambiente y la salud. El principal inconveniente medioambiental de estos gases es que, al mezclarse con otros contaminantes atmosféricos, como los óxidos de nitrógeno (NOX) y reaccionar con la luz solar, pueden dar lugar a ozono troposférico, que contribuye al smog fotoquímico. En cuanto a la salud, puede tener un alto grado de toxicidad dependiendo del compuesto y el período de exposición. Por lo que para el desarrollo de la química industrial sostenible se están usando los aceites esenciales, ya que al tener origen vegetal están considerados como un tipo de disolventes verdes. El aceite esencial de romero se extrae a partir de la planta de romero, empleando una técnica conocida como destilación, con la cual se obtienen los compuestos del romero que interesan. Es un aceite tan concentrado que se vende diluido, ya que a partir de cierta cantidad puede presentar algunas contraindicaciones. La primera propiedad que llama la atención es su acción anti-edad. El aceite de romero se usa mucho sobre la piel. Es rico en vitaminas, las cuales poseen carácter antioxidante, por lo que se ayuda a prevenir el envejecimiento 8 de la piel. Tiene efecto hidratante, calmante, así como propiedades antimicrobianas. También se usa este aceite esencial para el cabello, ya que mejora su crecimiento y previene su caída. Las diferentes características moleculares de los disolventes derivan en cambios de propiedades como densidad, polaridad, viscosidad o solubilidad en agua. La viscosidad de la fase dispersa influye en la eficiencia de la interrupción de gotas durante una alta energía de homogeneización. La densidad del aceite determina la tasa de cremado o sedimentación de las gotas dentro de las emulsiones. Además, la concentración de gotas en emulsiones O/W influye en su estabilidad y en sus propiedades reológicas (McClements&Rao, 2011). Se puede calcular la fracción de masa de la fase dispersa, la cual es la masa de la fase aceite entre la masa total de la emulsión: 𝜃𝑚 % =100 ·𝑚𝑜𝑖𝑙 𝑚𝐸 (1) La fracción de masa de la fase dispersa sirve para caracterizar la concentración de gotas. Una importante desventaja que presentan estos aceites es su alta volatilidad. Por ello, una manera de usarlos de forma más eficiente previniendo su evaporación, es en forma de emulsión. 3.1.1.2 Emulsificantes y estabilizantes o modificadores Como ya se ha dicho, las emulsiones son termodinámicamente inestables. Sin embargo, se pueden formar emulsiones que sean cinemáticamente estables durante un periodo de tiempo adecuado para su aplicación añadiendo aditivos que de diferente manera ayudan a aumentar las estabilidad de las emulsiones, emulsionantes y estabilizantes. 3.1.1.2.1. Agentes tensioactivos como emulsificantes Los agentes tensioactivos son moléculas que tienen una estructura característica. Es esta estructura la que les permite absorberse en las interfases, formar agregados y auto asociarse a soluciones acuosas. (Katime, 2003). Las moléculas están compuestas por dos partes opuestas, una polar y otra apolar. La parte polar o hidrófila lleva una carga positiva o negativa, y esto es lo que define si el tensioactivo es catiónico o aniónico. Si 9 no muestran carga iónica se les conoce como agentes tensioactivos no iónicos. La parte apolar o hidrófoba de la molécula es una cadena longitudinal de hidrocarbonos. Figura2. Estructura de una molécula de agente tensioactivo Se pueden clasificar estos agentes de acuerdo con la naturaleza iónica de la cabeza. Los aniónicos son aquellos agentes tensioactivos que presentan su cabeza hidrófila con carga negativa. Todos ellos suelen tener un contra ion positivo que normalmente es Na+. Los catiónicos poseen una cabeza positiva, como puede ser el ion trimetil amonio y contra iones negativos como el Br-. Los Zwitteriónicos tienen cargas negativas y positivas en la molécula, los que la convierte en una molécula neutra sin contra iones. Y los no iónicos los cuales no tienen ningún grupo polar cargado, pero poseen grupos como pueden ser los etoxilatos, los cuales presentan gran afinidad por el agua debido a que existen fuertes interacciones dipolo-dipolo en los enlaces de hidrógeno hacía las moléculas de agua. La parte hidrófoba del agente tensioactivo por regla general es una cadena simple de hidrocarburo la cual está compuesta mayoritariamente de grupos olefínicos. La principal propiedad para caracterizar un tensioactivo es su número HBL (Hydrophile-Lipophile Balance). HBL es una expresión empírica que relaciona los grupos hidrófilos e hidrófobos de un tensioactivo. Este número es de gran utilidad para poder determinar tensioactivos para las emulsiones de aceite y agua. Las emulsiones de agua en aceite requieren tensioactivos con un HBL bajo, mientras que las emulsiones de aceite en agua, requieren HLB mayores. Por lo que, la selección de un tensioactivo para una emulsión se puede determinar fijándonos en su valor HBL. (Griffin, 1949) Las propiedades señaladas hacen de los tensioactivos productos de gran versatilidad y se usan en multitud de aplicaciones tales como industria farmacéutica, formulaciones detergentes, flotación, alimentación, etc. (Enríquez Albán,2017) 16 y la capa de crema, conocida como capa de emulsión. La capa de serum suele ser transparente ya que al tener pocas gotas no se permite el scattering de la luz. La capa de emulsión tiene un aspecto parecido a la emulsión original y por último, la capa de crema es opaca ya que su concentración de gotas es muy grande lo que deriva en un apreciable scattering de la luz. 3.1.3.2. Floculación Un proceso en el cual ocurre la adhesión de las gotas pero manteniendo su integridad individual, es decir, sin fusionarse. Este proceso está dominado por un equilibrio entre fuerzas atractivas de Van der Waals, y otras repulsivas. Si las fuerzas atractivas dominan entonces las gotas tienen una tendencia a unirse, mientras que si las que dominan son las repulsivas no. En emulsiones diluidas, la floculación lleva a un incremento del tamaño de partícula lo cual favorece una separación gravitacional de las fases, lo cual no es deseable. La floculación puede hacer que la viscosidad de una determinada emulsión aumente, y si esta está lo suficientemente concentrada puede llevar a la formación de un gel. 3.1.3.3. Coalescencia Es el proceso en el cual ocurre la fusión de gotas para crear gotas más grandes y como consecuencia, una fracción de la interfase líquido/líquido se elimina. La coalescencia causa que la emulsión sedimente más deprisa debido al incremento de tamaño de las gotas. En las emulsiones oil-in-water, la coalescencia a veces deriva en la formación de una capa de aceite en la parte superior del recipiente. La coalescencia es un cambio irreversible, para establecer la distribución del tamaño de partícula primario se debe aportar un extra de energía. Este fenómeno tiende a ocurrir cuando las gotas se mantienen en contacto durante un periodo largo de tiempo, en particular cuando se aplican fuerzas de rozamiento. El proceso de la coalescencia no se entiende al completo, pero se piensa que está ligado con la curvatura preferida y con la rigidez de la capa de tensioactivo que estabiliza la emulsión. (Kabalnov, 1998). 17 3.1.3.4. Maduración de Ostwald (Ostwaldripening) Proceso por el cual las gotas de mayor tamaño crecen a costas de las más pequeñas, lo que lleva a que estas acaben desapareciendo. Esto ocurre debido al transporte de masa de la fase dispersa de una gota a otra a través de la fase continua que interviene (Kabalnov, 2001). El engrosamiento de las gotas ocurre porque la solubilidad de la materia en una gota esférica se incrementa a medida que el tamaño de la gota decrece. La velocidad a la que ocurre este proceso está relacionada con la solubilidad de la fase dispersa en la fase continua y es debido a que la presión interna de las gotas (presión de Laplace) crece en las que son de menor tamaño. La presión de Laplace nos da idea de la diferencia de presión entre el exterior y el interior de una superficie esférica de radio R. La fórmula de Laplace nos dice que la presión en el interior de una superficie esférica es siempre mayor que en el exterior, también que la diferencia de presión crece al disminuir el radio de la superficie (que es lo que ocurre en este efecto) y que se anula cuando la superficie es plana (Pellicer J, 2000). Los científicos Lifshitiz, Slevov y Wagner derivaron la siguiente expresión la cual nos da el valor de a qué velocidad ocurre el engrosamiento de las gotas dispersas: 𝑤=𝑑𝑎𝑐 3 𝑑𝑡 =8𝑐 ∞ 𝛾𝐷𝑉𝑚 9𝑅𝑇 𝑓(𝜙) (3) Donde t es el tiempo, 𝑎𝑐 el radio crítico de la gota, es decir, aquel donde estas se encuentran en equilibrio (ni crecen ni decrecen), γ es la tensión superficial existente entre la interfase agua-aceite, D es el coeficiente de las especies disueltas en la fase acuosa, c(∞) representa la solubilidad de la fase dispersa en la fase continua, 𝑉𝑚 es el volumen molar del aceite, R es la constante de los gases, T la temperatura absoluta y 𝑓(𝜙) es un factor de corrección que nos da cuenta de que la velocidad de engrosamiento es función de la fracción de volumen 𝜙, y tiene valor la unidad en el límite cuando esta fracción tiende a cero. 3.1.3.5. Inversión de fase Es un proceso en el cual se produce un cambio entre la fase dispersa y el medio. Por ejemplo, una emulsión O/W se puede invertir en una emulsión W/O con el tiempo o mediante un cambio en las condiciones. 18 En general, los procesos de inestabilidad de las emulsiones se pueden dar mediante la unión de los distintos mecanismos de inestabilidad citados que pueden ocurrir a la vez a velocidades diferentes. También, es posible que los mecanismos anteriores acaben acoplándose unos con otros. Figura 4. Mecanismos de inestabilidad de las emulsiones. Relación entre los mecanismos de desestabilización de emulsiones. 3.2.Reología Se define reología como la ciencia que estudia la deformación y flujo de los materiales (Makosko, 1994). Esta palabra tiene un origen griego donde rheos significa fluir y logos ciencia. Se pueden definir ciertos parámetros de la cizalla simple mediante el modelo de dos platos paralelos. Imaginemos un plato cuadrado, metálico y fijo. Ahora imaginemos otro plato del mismo tamaño pero sobre la superficie opuesta a una distancia h. Y la muestra líquida se encuentra ente las placas. El plato superior tiene un área conocida A. Cuando aplicamos una fuerza sobre él se desliza con una velocidad determinada. Una pequeña fuerza es suficiente como para que el plato se desplace una pequeña distancia a 19 una velocidad baja, si queremos que este se desplace a una velocidad mayor necesitaremos aplicar más fuerza. La muestra debe encontrarse bien adherida a ambos platos y no debe deslizar ni resbalarse en ningún momento mientras se esté realizando el ensayo. Para controlar que esto sea así se usaran una serie de sensores esenciales para evitar que la muestra deslice, como los sensores en placas paralelas rugosas. Se debe controlar que se dé siempre flujo laminar, es decir, flujo en forma de capas. Y evitar siempre la aparición de flujo turbulento. Figura5. Fuerza de cizalla entre dos planos paralelos. Dividiendo la fuerza aplicada entre el área del plato donde se aplica se obtiene el esfuerzo. El cizallamiento sobre el material se relaciona con la velocidad relativa del movimiento y la distancia entre los platos. Considerando el modelo de los dos platos se tiene la siguiente relación: 𝛾 𝑠−1 =𝑣(𝑐𝑚 𝑠) 𝑕(𝑠) (4) La viscosidad para un fluido ideal a una determinada temperatura se define como la relación entre el esfuerzo y la velocidad de cizalla. Los materiales se pueden clasificar según su comportamiento reológico. Los sólidos ideales se comportan elásticamente siguiendo la ley de Hooke, es decir, una vez que se deja de aplicar esfuerzo la energía de deformación del material se recupera. 𝜏=𝐺·𝛾 (5) Donde G es el módulo de cizalla elástica. Si estudiamos un sólido elástico a una determinada temperatura y nos encontramos además en un intervalo donde la 20 deformación sea reversible, la relación entre el esfuerzo y su deformación es una constante del material. El módulo elástico G nos da idea de la rigidez de un material. Los líquidos ideales cumplen la ley de Newton: 𝜏=𝜇·𝑑𝛾 𝑑𝑡 = µ · 𝛾 (6) Donde µ es la viscosidad del líquido. En la realidad, los materiales reales tienen una combinación de ambos comportamientos. Se llaman materiales viscoelásticos. 3.2.1. Fluidos newtonianos y no-newtonianos Se conoce como fluido Newtoniano a aquellos cuya viscosidad es constante e independiente del esfuerzo aplicado Figura6. Fluido newtoniano. Si el esfuerzo no es proporcional a la velocidad de cizalla, el fluido se llama no newtoniano, y la relación entre el esfuerzo y la velocidad de cizalla se llama viscosidad aparente. El comportamiento no newtoniano puede darse a distintos rangos de esfuerzos. Los fluidos no newtonianos se pueden clasificar en tres grandes grupos: 1. La ecuación que relaciona esfuerzo y deformación no es lineal. El esfuerzo es función de la velocidad de cizalla. 2. El esfuerzo es una función compleja de la deformación y a veces del tiempo. 3. El comportamiento reológico es el resultado de un sistema fluido y un sistema elástico: fluidos viscoelásticos. 21 3.2.2. Comportamiento no dependiente del tiempo de cizalla Los fluidos pseudoplásticos son aquellos los cuales su viscosidad aparente disminuye con la velocidad de cizalla. En los dilatantes ocurre lo contrario, su viscosidad aparente aumenta con la velocidad de cizalla. Y plásticos, los cuales poseen un esfuerzo de cizalla umbral. Si se encuentra por debajo tiene comportamiento elástico y por encima fluye como un fluido. Es decir, el material comienza a fluir cuando las cargas externas son mayores que las internas. Existen dos tipos de materiales plásticos, aquellos que son ideales (plásticos de Bingham), es decir, se comportan como fluidos newtonianos por encima del esfuerzo umbral y los plásticos no ideales, que por encima del esfuerzo umbral presentan un comportamiento no newtoniano. Figura 7. Esfuerzo frente a deformación en cizalla para distintos tipos de fluidos. 3.2.3. Comportamiento dependiente del tiempo de cizalla En numerosos productos, la viscosidad depende de la velocidad de cizalla así como del tiempo de cizalla. A veces, el proceso es reversible y el fluido recupera sus propiedades reológicas originales y en otros casos no. En los fenómenos reológicos dependientes del tiempo se encuentran: 1. Tixotropía: Cuando el fluido se somete a una velocidad de cizalla constante, la viscosidad aparente de este disminuye. Se recupera con el tiempo una vez se deje de aplicar el cizallamiento. 22 2. Antixotropía: La viscosidad aumenta con el tiempo de cizallamiento y esta se recupera con el tiempo una vez se detenga. 3.2.4. Materiales viscoelásticos Los materiales viscoelásticos son aquellos cuyo comportamiento es un híbrido de un sólido elástico y de un fluido newtoniano. La viscoelasticidad es un comportamiento que describe a ciertos materiales cuando se deforman. La teoría de la elasticidad considera las propiedades mecánicas de sólidos según la ley de Hooke. Por otro lado, la teoría hidrodinámica trata las propiedades de los líquidos viscosos, en los cuales según la ley de Newton el esfuerzo aplicado es directamente proporcional a la velocidad de deformación. El comportamiento viscoelástico se puede modelar mediante el modelo de Maxwell, entre otros. El modelo consiste en una combinación de un elemento elástico (muelle) y un elemento viscoso (embolo) en serie. 3.2.5. Ensayos reológicos 3.2.5.1. Curvas de flujo Las curvas de flujo en cizalla son los ensayos más tradicionales en reología de fluidos. Permiten distinguir entre un comportamiento newtoniano y no newtoniano.Consisten en determinar la influencia de la velocidad de deformación por cizalla sobre el esfuerzo de cizalla. Se supone que estos ensayos deben dar resultados en estado estacionario (no dependiente del tiempo de cizalla). Los ensayos se pueden realizar variando la velocidad angular en reómetros rotacionales y midiendo el par de torsión correspondiente, o al revés. Es muy importante tener en cuenta la variación que sufre la viscosidad de un fluido que no sigue la ley de Newton con la velocidad de deformación. Figura 8. Curvas de flujo para distintos comportamientos. 23 El comportamiento dilatante lo presentan fluidos que aumentan su viscosidad al incrementar la velocidad de cizalla que se le aplica, a causa de reorganización en su estructura. El comportamiento pseudoplástico es el más común, está presente en fluidos que ven reducida su viscosidad al aumentar la velocidad de deformación. Este comportamiento se da en emulsiones, suspensiones o dispersiones. .Este tipo de curva de flujo cuenta con dos zonas, una zona plateau o newtoniana y una caída. Esta curva se puede ajustar por diversos modelos, como el modelo de Cross: 𝜂=𝜂0 1+ 𝜂0𝛾 𝜏∗ 1−𝑛 (7) 𝜂0 es la deformación viscosa o el límite newtoniano donde la viscosidad se aproxima a una cosnstante a velocidades de cizalla muy bajas, la 𝜏∗ es la tensión crítica y n es el índice de flujo que se determina mediante el ajuste de la curva. Si su valor es 1 se dice que la emulsión tiene un comportamiento newtoniano, mientras que si su valor se encuentra entre 0 y 1, tiene un comportamiento pseudoplástico. 3.2.5.2. Ensayos en cizalla oscilatoria Se conocen como ensayos dinámicos que se usan para determinar propiedades viscoelásticas. Se aplica un esfuerzo o deformación por cizalla de forma sinusoidal con una determinada frecuencia w y una amplitud que corresponde al esfuerzo o velocidad de deformación en cizalla máxima (Rao, 1992) En el caso de medidas oscilatorias, el plato o cono del reómetro no giran continuamente, sino que oscilan. La rapidez del movimiento se conoce como frecuencia de oscilación. El desplazamiento angular del plato varía hasta un máximo, que es un valor controlable en la experiencia (amplitud). La función estímulo viene definida por la siguiente expresión 𝛾=𝛾0sin⁡(𝑤𝑡) o 𝛾 =𝛾 0cos⁡(𝑤𝑡). Por tanto habrá una función respuesta 𝜎=𝜎0sin⁡(𝑤𝑡+δ). En un sólido ideal, tanto la función respuesta como la función estímulo estarán en fase. En un fluido newtoniano, esta se encontrará desfasada 90º con la función estímulo. Mientras que en un fluido viscoelástico estará desfasado δ grados. Por lo que en función de 24 cuando este valor de desfase se acerque a 0 o a 90, un fluido viscoelástico tendrá un comportamiento más parecido a un líquido o a un sólido. Figura 9. Ensayos dinámicos para un sólido ideal, fluido newtoniano y fluido viscoelástico A partir del valor del desfase y los valores máximos de velocidad de cizalla y esfuerzo de cizalla, se calculan los módulos de almacenamiento G’ y de pérdida G’’. También se suele usar el parámetro tgδ, que nos es más que la relación entre el módulo de almacenamiento y el módulo de pérdida. Este parámetro nos da información de la relación existente entre la parte viscosa y la parte elástica en el comportamiento viscoelástico. Generalmente se miden estos módulos y se cambia la rapidez de oscilación. Decir que, un comportamiento será más líquido, cuando el módulo de pérdida sea mayor que el de almacenamiento y además, aumentará con la frecuencia; no obstante, será más sólido cuando el módulo de almacenamiento sea mayor que el de pérdida. Como anotación, existe una zona plateau donde G’ se mantiene constante y G’’ presenta un mínimo. Estos ensayos se llevan a cabo en la zona viscoelástica lineal (G’ y G’’ se mantienen constante con la frecuencia a una deformación constante). Este ensayo es no destructivo, ya que las deformaciones son muy pequeñas. En la figura siguiente podemos ver que la primera gráfica corresponde con un polímero ideal en barrido de frecuencia y la segunda con la existencia de una red tridimensional, que se conoce como gel. 25 Figura 10. Comportamiento de un polímero ideal y un gel en barrido de frecuencia. 32 5) RESULTADOS Y DISCUSIÓN 5.1.Influencia de la presión de homogeneización en el Microfluidizer El primer objetivo fue la obtención del tamaño de gota más pequeño y homogéneo posible. Para ello, con ayuda del Microfluidizer, se le aplicó a laspre-emulsiones presiones de 5000, 10000 y 15000 psi. Se estudió la distribución de tamaño de gota para cada muestra mediante difracción laser con el Marvern. La figura 15 muestra las distribuciones de tamaño de gotas (DTG) para las preemulsiones y emulsiones de aceite esencial de romero procesadas en el Microfluidizer a 5000, 10000 y 15000 psi. Para la pre-emulsión se observó una DTG estrecha con un valor de span de 1.23, el cual está centrado en 4 µm. El span nos da idea de la polidispersión. También con ayuda del microscopio óptico se obtuvo una microfotografía del tamaño de gota de la pre-emulsión, así como se puede observar en la Imagen 1. Un post-procesado de la pre-emulsión en el Microfluidizer provocó por un lado una reducción del tamaño de gota tal y como se puede ver en la microfotografía de la Imagen 2. Por otro lado, el post-procesado en el Microfluidizer también generaba un incremento de la poli-dispersidad, como queda reflejado en los altos valores de span. Usar una presión de homogeneización de 5000 psi induce a la formación de nanoemulsiones ya que se observó una reducción sustancial del diámetro de Sauter, alcanzando valores de alrededor de 200nm. Sin embargo, una DTG más amplia no se puede pasar por alto moviendo el valor despan de 1.23 a 1.88. Este hecho también ocurrió a una mayor presión de homogeneización (10000 y 15000 psi), así como promover una distribución bimodal. Es también importante decir que un exceso en la energía de entrada condujo a un efecto de re-coalescencia que puede verse reflejado en valores más altos del diámetro de Sauter. 33 Este hecho es bien conocido en emulsiones microfluidizadas (Jafari et al., 2008; MahdiJafari et al., 2006), incluso en emulsiones que contienen Pluronic PE9400 (Santos et al., 2017). 0,01 0,1 1 10 100 1000 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 % V/V D (m) pre-emulsion 5000 psi 10000 psi 15000 psi Figura15. Distribución de tamaño de gotas de las emulsiones de aceite esencial de romero en función de la presión de homogeneización aplicada en el Microfluidizer. 34 Imagen 1. Microfotografia de tamaño de gota de la pre-emulsión. Imagen 2. Microfotografía de tamaño de gota de la emulsión procesada a 5000 psi. 35 En la siguiente tabla, se muestran los valores de span, D[3,2] y D[4,3] de la preemulsion y de las emulsionesmicrofluidizadas. D(3.2) D(4.3) Span Preemulsion 2.61 3.281 1.23 5000 psi 0.208 0.303 1.887 10000 psi 0.228 1.011 3.821 15000 psi 1.224 7.592 16.732 Tabla1. Valores de D(3.2), D(4.3) y span de la pre-emulsión y de las emulsionesmicrofluidizadas. Este análisis previo permite elegir la emulsión adecuada. En este sentido, la emulsión microfluidizada a 5000 psi se ha tomado como referencia para los estudios posteriores con el fin de investigar la influencia de la cizalla en las propiedades reológicas y la microestructura de emulsiones y emulgeles de aceite esencial de romero. 5.2. Influencia de la cizalla en la emulsión elegida La figura 16 muestra la viscosidad en estado estacionario como una función de la velocidad de cizalla para la emulsión procesada a 5000 psi. Es importante decir que en todos los casos, la viscosidad permanece constante con un tiempo de cizalla de 600 s, lo cual indica un comportamiento no dependiente del tiempo. Se puede observar una dependencia muy leve de la viscosidad con la velocidad de cizalla hasta un valor constante a mayores velocidades de cizalla, lo que está relacionado con el límite del cambio en la estructural. Este hecho es respaldado por los resultados que se muestran en la figura 17 que muestra el grado de re-coalescencia (RD) frente a la velocidad de cizalla. Este parámetro ha sido calculado de acuerdo a la siguiente ecuación: % 𝑅𝐷 = 𝐷(4.3)𝑝𝑜𝑠𝑡 −𝑠𝑕𝑒𝑎𝑟 − 𝐷(4.3)𝑝𝑟𝑒 −𝑠𝑕𝑒𝑎𝑟 𝐷(4.3)𝑝𝑟𝑒 −𝑠𝑕𝑒𝑎𝑟 (11) 36 En general, la cizalla provoca un incremento del diámetro volumétrico, lo que es consistente con la citada re-coalescencia asociada a un sobre-procesado como se puede ver claramente en la Imagen 3 obtenida por el microscopio óptico. El diámetro volumétrico aumentó con la velocidad de cizalla alcanzando un límite, desde el cual el grado de re-coalescencia es constante. Este límite coincide con el valor límite de viscosidad mencionado anteriormente. Por lo tanto, se observa una coalescencia inducida por cizallamiento para la emulsión de aceite de romero. El tensioactivo utilizado no es capaz de proteger adecuadamente la interfase para evitar la fusión de las gotas. 10 100 3 4 5 6 7  (mPa·s) shear rate (s-1) Figura 16. Valor de la viscosidad en función de distintas velocidades de cizalla aplicadas durante 600s para emulsiones microfluidizadas de aceite esencial de romero. 37 20 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Recoalescence Degree(%) shear rate(s-1) Figura 17. Influencia de la velocidad de cizalla aplicada durante 600s al grado de re-coalescencia de emulsiones de aceite esencial de romero procesadas a 5000psi. Imagen 3. Fotomicrografía de tamaño de gota de la emulsión procesada a 5000psi tras aplicarle una velocidad de cizalla de 100𝒔−𝟏durante 600s. 38 5.3. Caracterización del emulgel formado 5.3.1. Curva de flujo La figura 18 muestra las curvas de flujo para emulsiones con y sin Aerosil 200. Se puede ver claramente la diferencia de comportamiento entre ambos sistemas. Este comportamiento ya ha sido reportado por Trujillo et al, 2018 (Trujillo-Cayado et al.,2018). Se observó un leve comportamiento pseudoplástico para la emulsión sin Aerosil 200 y un comportamiento pseudoplástico más pronuncionado caracterizado por la ausencia de información de viscosidad en un intervalo de 0,01-30 s-1 asociado con un esfuerzo umbral. Este último comportamiento es la primera evidencia de la existencia de un emulgel, el cual se forma al mezclar la emulsión microfluidizada con la suspensión de Aerosil 200. 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 1E-3 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 1E7 5 wt% Aerosil 0 wt% Aerosil  (Pa·s) shear rate (s-1) Figura 18. Curvas de flujo para emulsión microfluidizada y emulgel de aceite esencial de romero a 20ºC. 39 5.3.2. Determinación del intervalo viscoelástio lineal: barridos de esfuerzos La figura 19 muestra el barrido de esfuerzo realizado al emulgel. Para determinar el intervalo viscoelástico lineal se debe buscar aquel intervalo de esfuerzos de cizalla donde G’ y G’’ se mantienen constantes. Se define esfuerzo crítico como aquel a partir del cual las funciones viscoelásticas dependen de este esfuerzo, lleva asociado una deformación crítica. En nuestro caso se observa que para el esfuerzo aplicado no hay variación en los valores de G’ y G’’, por lo que no es necesario obtenerlo. Ya que en nuestro caso los barridos de frecuencia se harán con esfuerzos de un valor de 2 MPa. 110 10 100 1000 10000 G' G'' G', G'' (Pa) (Pa) Figura 19. Barridos de esfuerzo. 5.4. Influencia de la cizalla en emulgeles En las figuras 20, 21, 22, 23 y 24 se muestran las pruebas de cizallas para emulgeles que contienen 5% en peso de Aerosil 200 a 25, 50, 100, 250 y 500 s-1 respectivamente. Se ha observado un comportamiento similar para los emulgeles a los que se le ha aplicado una velocidad de cizalla de 25 y 50 s-1 (figuras 20 y 21). En ambos casos, se aprecia una pequeña caída del valor de viscosidad con el tiempo de cizalla como resultado de un claro comportamiento tixotrópico. Esto ocurre como consecuencia de 40 una destrucción de la microestructura del emulgel bajo cizalla. Este hecho ya se ha reportado en emulgeles por Ajazuddin (Alexander et al.,2013). Las figuras 22, 23 y 24 inicialmente muestran un incremento de la viscosidad hasta alcanzar un valor máximo a partir del cual la viscosidad comienza a decrecer. Este resultado es combinación de un comportamiento antitixotrópico y un comportamiento tixotrópico debido a la creación y destrucción parcial de estructura, respectivamente. Se ha detectado que el máximo de viscosidad asociado a un alto grado estructural cambia hacia valores de tiempo de cizalla más pequeños. Este hecho sugiere que es un proceso controlado por la tensión, siendo el valor alcanzado de tensión de 27500 aproximadamente, desde el cual comienza el proceso de ruptura. 100 200 300 400 500 600 3.2 3.4 3.6 3.8 25 s-1  (Pa·s) test time (s) Figura 20. Ensayo de fluencia de emulsión de aceite esencial de romero a una velocidad de cizalla de 25𝒔−𝟏. 41 0100 200 300 400 500 600 2.6 2.8 3.0 viscosidad 50s-1  (Pa·s) shear rate (s-1) Figura 21. Ensayo de fluencia de emulsión de aceite esencial de romero a una velocidad de cizalla de 50𝒔−𝟏. 0100 200 300 400 500 600 0.840 0.845 0.850 0.855 0.860 0.865 0.870 viscosidad 100s-1 (Pa·s) t(s) Figura 22. Ensayo de fluencia de emulsión de aceite esencial de romero a una velocidad de cizalla de 100𝒔−𝟏. 48 010 20 30 0 1 2 3 4 5 6 7 Without shear post-shear 250 s-1 post-shear 500 s-1 TSImiddle Aging time (days) Figura 27. TSI calculado en la mitad de las células de medida frente al tiempo de envejecimiento para emulgeles de aceite esencial de romero sin cizalla y tras un tratamiento posterior de cizalla de 250 s-1 y 500 s-1 durante 600s 49 6) CONLUSIONES Los resultados obtenidos mediante difracción láser permiten elegir la emulsión microfluidizada adecuada como punto de partida para el estudio posterior debido a la falta de re-coalescencia y el diámetro medio nano-métrico. Se ha demostrado que este sistema no muestra un comportamiento dependiente del tiempo y su comportamiento de flujo es leve con poco cizallamiento. Sin embargo, la cizalladura posterior provocó un aumento del tamaño de gota para la emulsión microfluidizada, como se ha podido observar por difracción láser y microscopía óptica. La adición de Aerosil 2000 a la emulsión microfluidizada provocó un marcado comportamiento pseudoplástico como consecuencia de la aparición de un punto de fluencia. Este sistema demostró ser sensible a un tratamiento de post-cizallamiento que implica comportamientos tixotrópicos a velocidades de cizallamiento más bajas (25 y 50 s-1), y un comportamiento antitixotrópico/tixotrópico combinado controlado por deformación a velocidades de cizallamiento más altas (100-500s-1). Además, el tratamiento posterior hizo que las propiedades viscoelásticas disminuyeran debido a la alineación de las unidades micro-estructurales que consisten en gotas incrustadas en la red 3D de Aerosil 200, como se observó mediante la técnica Cryo-SEM. A pesar de los resultados viscoelásticos obtenidos, la técnica de Dispersión de Luz Múltiple reveló una mejora de la estabilidad física que se demuestra por los valores más bajos del índice TSI medidos. Por lo tanto, se recomienda encarecidamente un control estricto de operaciones de post-cizallamiento, como pueden ser el transporte. 50 7) BIBLIOGRAFÍA Calabrese, R. V., Francis, M. K., Mishra, V. P., & Phongikaroon, S. (2000). 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