تقييم نسيج المنتج باستخدام الاختبار التذبذبي على مقياس الريومتر الدوراني

مقدمة

قد تكون صياغة المنتجات للحصول على السمات الوظيفية والحسية الصحيحة مهمة صعبة. وتعتمد هذه الأخيرة على وجه الخصوص على ملاحظات المستخدمين، والتي قد تستغرق وقتًا وجهدًا كبيرين للحصول عليها. وبالإضافة إلى ذلك، ليس من السهل دائمًا تفسير هذه الملاحظات في سياق خصائص المواد وبالتالي البيانات الريولوجية.

لاستخدام الريولوجيا كأداة لتقييم نسيج المنتج، من المهم فهم وضع الاختبار الريولوجي الذي يحاكي التطبيق المعين على أفضل وجه وكذلك المعلمات الأكثر ملاءمة لاستخدامها في هذا الاختبار. على سبيل المثال، يعتبر وضع كريم البشرة وفركه عملية ذات معدل قص مرتفع، ومن الأفضل تقييمها باستخدام اختبار القص الثابت بمعدل القص المناسب. على العكس من الملمس في الوعاء، يرتبط الملمس بالبنية المجهرية الأساسية التي يتم تقييمها على أفضل وجه عن طريق الاختبار التذبذبي أو اختبار الزحف.

من الاختبارات البسيطة لتقييم نسيج المادة في ظل التشوهات الصغيرة هو اختبار مسح سعة التذبذب. يمكن أن يوفر هذا الاختبار معلومات مهمة تتعلق بصلابة العينة وقابليتها للانبثاق والقوة الهيكلية والتشوه. تنعكس الصلابة في المعامل المركب G* مع قيم أعلى تشير إلى بنية أكثر صلابة، بينما تشير زاوية الطور δ إلى درجة المرونة وبالتالي قابلية البنية للارتداد. يمكن عرض هذه المعلومات باستخدام مخطط بسيط ل G* مقابل δ كما هو موضح في الشكل 1.

المعلومات الأخرى التي يمكن استخلاصها من مثل هذا الاختبار هي إجهاد الخضوع وإجهاد الخضوع اللذان يرتبطان بالقوة الهيكلية ومدى التشوه الهيكلي، على التوالي. يمكن الحصول على هذه المعلومات من رسم بياني للإجهاد المرن σ' (الإجهاد المرتبط بالمعامل المرن (أو التخزين) G') مقابل الإجهاد. تشير الذروة في الإجهاد المرن إلى نقطة الخضوع وقيم الإجهاد والانفعال المقيسة عند هذه النقطة إلى إجهاد الخضوع وانفعال الخضوع على التوالي، كما هو موضح في الشكل 2.

من خلال الجمع بين كل هذه المعلومات، يمكن الحصول على مؤشر لكيفية استجابة المادة لتشوهات القص الصغيرة قبل بداية التدفق العياني.

يمكن أن يكون هذا مفيدًا لقياس المنتجات أو للمساعدة في هندسة خصائص حسية أو فوائد وظيفية محددة في المنتج.

تجريبي

• تم تقييم عدد من المنتجات المختلفة لإظهار الاختلافات بينها من حيث خصائصها التركيبية.
• أُجريت قياسات مقياس الانسيابية الدورانية باستخدام مقياس الانسيابية Kinexus مع خرطوشة صفيحة بلتيير ونظام قياس الألواح المتوازية الخشنة 40 مم (لتجنب انزلاق العينة على أسطح الهندسة⁾،² وباستخدام تسلسلات قياسية معدة مسبقًا في برنامج rSpace.
• استُخدم تسلسل تحميل قياسي لضمان خضوع العينة لبروتوكول تحميل متسق ويمكن التحكم فيه.
• أُجريت جميع قياسات الريولوجيا عند درجة حرارة 25 درجة مئوية ما لم يُذكر ذلك.
• تضمن القياس إجراء مسح سعة متحكم في سعة الإجهاد بعد إجهاد الخضوع للمادة وتحليل البيانات تلقائيًا لإعطاء قيمة G* و δ داخل المنطقة الخطية وقيمة لإجهاد الخضوع وإجهاد الخضوع بناءً على ذروة الإجهاد المرن (σ').

النتائج والمناقشة

يقارن الشكل 3 بين مجموعة من المنتجات المختلفة من حيث الصلابة والمرونة النسبية عند تردد 1 هرتز. من هذا الرسم البياني، يمكن ملاحظة أن معظم العينات مرنة في الغالب بزوايا طور أقل من 45 درجة مئوية. ومع ذلك، تُظهر هذه العينات درجات متفاوتة من الصلابة حيث تكون زبدة الجسم على سبيل المثال أكثر صلابة (معامل أعلى) بمقدار 25 مرة (معامل أعلى) من لوشن الجسم، وتكون صمغ الشعر أكثر صلابة بمقدار 100 مرة تقريبًا. وعلى النقيض من ذلك، فإن كريم الاستحمام يغلب على كريم الاستحمام السوائل بزاوية طور قريبة من 90 درجة مئوية وصلابة منخفضة نسبيًا، حيث تبلغ قيمة G* 23 باسكال فقط مقارنةً بحوالي 8000 باسكال لزبدة الجسم.

إن تأثير درجة الحرارة على قوام الزبدة مهم للغاية مع تبلور الدهون في درجات الحرارة المنخفضة (الثلاجة) مما يشكل بنية قاسية وشديدة المرونة بينما في درجة حرارة الغرفة، ينتج عن ذوبان مصفوفة الدهون هذه بنية أكثر ليونة وأقل مرونة، وأكثر تشابهًا في القوام مع منتج زبدة الجسم ومعجون الأسنان.

يوضح الجدول 1 القيم المقابلة لإجهاد الخضوع وإجهاد الخضوع لمجموعة من المنتجات. لاحظ أن إجهاد الخضوع يصف بشكل أساسي الإجهاد المطلوب لبدء انهيار بنية الشبكة. نظرًا لأن السوائل اللزجة المرنة (δ > 45º) لا تمتلك بنية شبكية، فإن إجهاد الخضوع في هذه الحالة يتعلق بالإجهاد المطلوب لبدء التدفق الكبير (ترقق القص).

الجدول 1: نتائج تحليل الذروة لمنحنيات الإجهاد والانفعال

وبمقارنة زبدة الجسم وغسول الجسم، يتضح أن الأولى تتطلب ضغطًا أعلى لتفكيك البنية. ويتضح ذلك أثناء استخدام المنتج، حيث تتطلب زبدة الجسم قوة أكبر لبدء التدفق. يحتوي لوشن الجسم على إجهاد خضوع أعلى ويتشوه أكثر قبل أن يترقق، مما يشير إلى بنية أكثر مرونة/ أقل هشاشة. أما المايونيز المهيمن المرن فيتميز بإجهاد خضوع وإجهاد خضوع مرتفع يعكس "قوامه المطاطي" الملحوظ في البرطمان.

على الرغم من أن غسول الجسم يُظهر إجهادًا وإجهادًا حرجًا مرتفعًا، على عكس المايونيز، إلا أنه لا يمتلك بنية شبكية (δ> 45 درجة). وبالتالي فإن هذه القيم الحرجة تتعلق بالإجهاد والتشوه الذي يمكن أن تتحمله المادة قبل أن يتعزز التدفق بشكل كبير. ويمكن أن يرتبط ذلك في بعض الأحيان بمدى تكوين الخيوط أو خيوط المنتج.

وتتسم الزبدة في درجة حرارة الثلاجة بإجهاد خضوع مرتفع للغاية وهذا هو السبب في صعوبة انتشارها؛ ومع ذلك، يمكن ملاحظة انخفاض كبير في إجهاد الخضوع عند درجة حرارة 25 درجة مئوية بسبب ذوبان مصفوفة الدهون البلورية. ومن المثير للاهتمام أن الزبدة تكون أكثر هشاشة عند درجة الحرارة المرتفعة هذه كما يتضح من إجهاد الخضوع الأصغر.

الخاتمة

يمكن أن يوفر اختبار مسح السعة معلومات مهمة تتعلق بخاصية تركيب المواد مثل الصلابة والزنبركية والقوة الهيكلية والهشاشة. ومن خلال قياس المعلمات المرتبطة بهذه الخصائص، يمكن بناء صورة لكيفية شكل المادة وسلوكها في ظل التشوهات الصغيرة. هذه التقنية مفيدة لتوصيف ومقارنة المواد المناسبة.

يُرجى ملاحظة أنه يوصى بإجراء الاختبار باستخدام هندسة المخروط واللوح أو اللوح المتوازي - مع تفضيل الأخير للمشتتات والمستحلبات ذات أحجام الجسيمات الكبيرة. قد تتطلب هذه الأنواع من المواد أيضًا استخدام أشكال هندسية مسننة أو خشنة لتجنب حدوث خلل في الهندسة المتعلقة بالانزلاق على سطح الهندسة.