مقدمة
يتم تعبئة العديد من المنتجات الاستهلاكية في أنابيب أو زجاجات حيث ينطوي استخدام المنتج على ضخ المنتج من خلال فوهة. تميل هذه المنتجات إلى أن تكون منتجات مرققة بالقص حيث تنخفض اللزوجة أثناء عملية البثق بسبب زيادة معدل القص، ثم تستعيد اللزوجة عند خروجها من الفوهة مع انخفاض معدل القص. ويرتبط معدل القص الذي يتم مواجهته أثناء هذه العملية بنصف القطر r للفتحة ومعدل التدفق الحجمي Q بالمقدار التالي:
البارامتر n هو مؤشر قانون القوى، وهو 1 للسائل النيوتوني وبين 0-1 للسائل غير النيوتوني. يمكن الحصول على هذه القيمة بسهولة من اختبار معدل القص المتغير من خلال تركيب نموذج قانون قوة على البيانات الناتجة.
ومن خلال قياس معدل التدفق الحجمي (الحجم المستغنى عنه في وقت معين) ونصف القطر الداخلي للفوهة، يمكن تقدير معدل القص الذي يتم مواجهته أثناء البثق.
ونظرًا لأن العديد من المنتجات الاستهلاكية بما في ذلك المواد الغذائية والطلاءات ومستحضرات التجميل/مستحضرات التجميل يمكن أن يكون لها هياكل دقيقة للغاية، فإن هذه الهياكل تتفكك بسهولة أثناء عملية البثق وقد لا تستعيد هيكلها الأصلي إلا بعد مرور وقت محدود. يُطلق على المواد التي تعتمد على الوقت في استرداد بنيتها أو إعادة بنائها اسم متغيرة الانسيابية. من خلال حساب معدل القص الذي يتم مواجهته أثناء البثق واستخدامه في المرحلة الوسيطة لاختبار معدل القص والإجهاد المتدرج، من الممكن محاكاة الانهيار الهيكلي الناتج عن البثق.
من خلال المتابعة الفورية للتعافي الهيكلي من خلال المعامل المرن G' كدالة للزمن، من الممكن تحديد التعافي الهيكلي للنظام وفي النهاية السلامة الهيكلية للمنتج في وقت الاستخدام. يمكن أن يكون هذا الأمر مهمًا من حيث المظهر المادي (مقاومة الانحدار)، أو من حيث الملمس المستخدم أو وظيفة المنتج، على سبيل المثال، القدرة على التشبث بسطح عمودي.
تجريبي
- تم تقييم خصائص الاستعادة الهيكلية لمعجون الأسنان وجل الشعر في ظل ظروف معدل القص المرتبطة ببثق المنتج أثناء الاستخدام.
- أُجريت قياسات مقياس الانسيابية الدورانية باستخدام مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus مع خرطوشة لوحة بلتيير ونظام قياس اللوحة المتوازية الخشنة1، وباستخدام تسلسلات قياسية معدة مسبقًا في برنامج rSpace.
- تم استخدام تسلسل تحميل قياسي لضمان خضوع كلتا العينتين لبروتوكول تحميل متسق ويمكن التحكم فيه.
- تم إجراء جميع قياسات الريولوجيا عند درجة حرارة 25 درجة مئوية.
- تم حساب معدلات قص البثق ذات الصلة تلقائيًا كجزء من تسلسل الاختبار باستخدام القيم المدخلة لحجم البثق وزمن البثق ونصف قطر الفتحة. تمت برمجة الاختبار لاستخدام هذه القيمة المحسوبة كمعدل قص وسيط في اختبار معدل القص المتدرج مع الخطوة 1 والخطوة 2 باستخدام قيمة إجهاد ثابتة داخل العينات LVER بتردد 1 هرتز.
- تم تحديد الوقت اللازم لاستعادة 90% من المرونة الأصلية للمنتجات (G') تلقائيًا والإبلاغ عنه في نهاية الاختبار.
النتائج والمناقشة
قيمت الآلة الحاسبة الآلية معدل القص في عملية البثق بأنه 86 ث-1 لمعجون الأسنان و240 ث-1 لجل الشعر. تم استخدام هذه القيم في مرحلة معدل القص المتوسط للاختبار.
يوضح الشكل 1 نتائج معجون الأسنان. من الواضح أن هذه المادة شديدة الانسيابية كما هو ملاحظ من منحنى الاسترداد الذي يُظهر أنها لا تستعيد بنيتها بالكامل في النطاق الزمني للاختبار، حيث تصل إلى 50% فقط من قيمتها الأصلية ل G' بعد 500 ثانية تقريبًا.
وعلى العكس من ذلك، يستعيد جل الشعر (الشكل 2) بنيته بشكل فوري تقريبًا مع حدوث 90% من الاسترداد في أول 5 ثوانٍ ويكتمل استرداده في غضون 20 ثانية. وهذا أمر مهم لهذا المنتج لأنه يحتاج إلى توفير ثبات فوري للشعر قبل أن يتمكن الراتنج من تشكيل طبقة مرنة لتثبيت الشعر على المدى الطويل.
لاحظ أن كلتا المادتين تظهران سلوك إجهاد الخضوع عند التردد المقاس حيث يتجاوز G' G" مما يشير إلى بنية مجهرية مترابطة أو صلبة مهيمنة.
الخاتمة
تم إجراء اختبار ثلاثي الخطوات لمعدل الإجهاد/القص على معجون أسنان وجل الشعر لتقييم معدل ومدى استعادة المرونة بعد البثق من الأنبوب. تبيّن أن معجون الأسنان متغيرة الانسيابية بدرجة كبيرة حيث استغرق 500 ثانية لاستعادة 50% من مرونته الأصلية بينما تعافى جل الشعر على الفور تقريبًا.
يرجى ملاحظة...
يوصى بإجراء الاختبار باستخدام الهندسة المخروطية والصفيحة أو هندسة الصفيحة المتوازية - مع تفضيل الأخيرة للمشتتات والمستحلبات ذات أحجام الجسيمات الكبيرة. وقد تتطلب هذه الأنواع من المواد أيضًا استخدام هندسة مسننة أو خشنة لتجنب حدوث خلل في الهندسة المتعلقة بالانزلاق على سطح الهندسة.