新品应用 | 防晒霜中的流变学——别让不良流变数据“灼伤”你

实验

在本篇中，我们对几款防晒霜配方进行了多方位测试。

我们对比了同一品牌的三款SPF 50防晒霜：

从涂抹到轻拍，甚至当你将防晒霜留在高温车内时会发生什么，您都需要相应的数据、曲线和洞察。因为当涉及到配方优化时，不良的流变学数据可能会让您经受“灼伤”之苦——无论从字面意义还是比喻意义上。

讨论

我们首先比较了三种防晒霜的流动行为。结果如图1所示。

图1：所有配方的流动曲线

无油防晒霜配方表现出更明显的剪切变稀现象——越揉搓流动性越好。从这些结果可以看出，无油配方具有最高的屈服应力，表现为在最低剪切速率下具有最高的黏度。屈服应力可以理解为在材料最终发生形变前所需施加的力(或应力)大小。然而由于剪切稀化效应，无油配方的防晒霜相比其他配方在涂抹时粘腻感更不显著，而两种物理防晒霜的体感粘稠度相同。

由于防晒霜的涂抹过程本质上是一种固体向液体的转变，静态屈服应力成为了此过程中的关键因素。静态屈服应力是指使材料从静止状态开始流动所需的应力，如图2所示。动态屈服应力是指在材料已经开始流动后，维持其流动所需的应力(如图1所示)。为了更好地理解这一点，我们还进行了一次振荡应力幅值扫描，从相对较低的应力水平开始(见图2)。

图2：所有配方的振荡应力幅值扫描曲线

结果与我们的流动扫描数据高度一致：总体而言，无油配方表现出更高的静态和动态屈服应力，而两种矿物基配方则不相上下。

但如果您在使用防晒霜时更喜欢通过轻拍而非涂抹手法呢？振荡测试是轻拍动作的良好替代方法，因此在图3中，我们考察了复数黏度，该值通过振荡频率扫描获得。

图3：所有配方的振荡频率扫描曲线

再一次，无油配方因更强的剪切变稀特性脱颖而出。在较高频率下，物理防晒霜的复数黏度趋于一致。但有趣的是，在这种涂抹情境下，儿童用物理防晒霜的粘度似乎比成人用物理防晒霜更低。

接下来，我们模拟了存放防晒霜时的一个经典错误场景：将防晒霜放置在高温的车内。当被加热时，物理防晒霜的黏度大约下降了40%(如图4和图5)。虽然这听起来像是优点，因为防晒霜会更容易涂抹，但这种黏度下降实际上可能导致防晒霜要么从管中大量流出，要么在你还未来得及均匀涂抹之前就从皮肤上滴落，从而大大降低您的使用体验。

图4：物理防晒霜在室温和40℃下的流动曲线

图5：儿童物理防晒霜在室温和40°C下的流动曲线

那无油版本呢？几乎没有变化，如图6所示。这在夏季高温下对稳定性有利。

图6：无油化学防晒霜在室温和40°C下的流动曲线

最后，我们研究了这些防晒霜在摩擦后在皮肤上的重建情况(如图7和图8)。

图7：无矿物油和无油化学配方的触变性步骤

矿物型和无油型配方均表现出极低的触变性，这意味着它们能迅速恢复微观结构。无油型防晒霜的储能模量甚至更高，表明其形成的薄膜更具弹性和稳定性。

但儿童配方的情况则有所不同。在三次重复测试中，其微观结构在摩擦后从未完全恢复，损耗模量始终高于储能模量，表明其行为更趋向于流体状，弹性较差。这可能是配方研发时希望产品在使用过程中在皮肤表面形成一层更温和、光滑的薄膜，以适应儿童娇嫩敏感的肌肤。

图8：儿童物理防晒霜的触变性步骤

总结

从所有这些防晒霜科学中，我们可以感受到：无论您是大面积涂抹使用、小面积拍压吸收还是不小心把防晒霜留在炎热的车内，流变学都能揭示其背后的材料故事。从屈服应力到复数黏度，从恢复行为到热稳定性，每种配方都有其独特的流动特性——而这些差异对配方的选择至关重要。

由此可见，每一次配方的细微调整都可能改变防晒霜的流变学特性，而这会影响产品的触感、延展性和防护效果。因此，如果您从事研发工作，我们建议您切勿忽视流变学测试。因为在防晒科学领域，不准确的数据可能会让您和您的消费者付出“代价”。

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致谢

本文由TA仪器的Behbood Abedi撰写，陈婷婷校对。