Въведение
Формулирането на продукти, които да притежават едновременно правилните функционални и сензорни характеристики, може да се окаже трудна задача. Особено последното зависи в голяма степен от обратната връзка с потребителите, чието постигане може да отнеме значително време и усилия. Освен това невинаги е лесно да се интерпретира тази обратна връзка в контекста на свойствата на материалите, а оттам и на реологичните данни.
За да се използва реологията като инструмент за оценка на текстурата на продукта, е важно да се разбере кой режим на реологично изпитване най-добре имитира конкретното приложение, а също и най-подходящите параметри, които да се използват при това изпитване. Например, нанасянето и втриването на крем за кожа е процес с висока скорост на срязване, който най-добре се оценява чрез изпитване с равномерно срязване при подходяща скорост на срязване. Обратно на текстурата в съда, текстурата е свързана с основната микроструктура, която най-добре се оценява чрез осцилационно изпитване или изпитване на пълзене.
Едно просто изпитване за оценка на текстурата на материала при деформации small е измерване на амплитудата на трептене. То може да предостави важна информация, свързана с твърдостта на образеца, пружинирането, структурната якост и деформацията. Твърдостта се отразява в комплексния модул G*, като по-високите стойности показват по-твърда структура, докато фазовият ъгъл δ показва степента на еластичност, а оттам и пружинирането на структурата. Тази информация може да бъде представена с помощта на проста графика на G* спрямо δ, както е показано на фигура 1.
Друга информация, която може да се извлече от такова изпитване, е границата на провлачане и деформацията на провлачане, които се отнасят съответно до якостта на конструкцията и степента на структурната деформация. Тази информация може да бъде получена от графиката на еластичното напрежение σ' (напрежение, свързано с модула на еластичност (или съхранение) G') спрямо деформацията. Пикът в еластичното напрежение показва точката на провлачване, а стойностите на напрежението и деформацията, измерени в тази точка, са съответно напрежението на провлачване и деформацията на провлачване, както е показано на фигура 2.
Чрез комбиниране на цялата тази информация е възможно да се получи представа за това как материалът ще реагира на деформациите на срязване small преди началото на макроскопичното течение.
Това може да бъде полезно за сравнителен анализ на продуктите или за подпомагане на проектирането на специфични сензорни свойства или функционални предимства на даден продукт.
Експериментален
- Бяха оценени редица различни продукти, за да се покажат разликите между тях по отношение на текстурните им характеристики.
- Измерванията с ротационен реометър бяха извършени с помощта на реометър Kinexus с касета с плочи на Пелтие и измервателна система с 40 mm грапави паралелни плочи (за да се избегне приплъзване на пробата по геометричните повърхности)2 и с използване на стандартни предварително конфигурирани последователности в софтуера rSpace.
- Използвана е стандартна последователност на зареждане, за да се гарантира, че пробата е подложена на последователен и контролируем протокол на зареждане.
- Всички реологични измервания са извършени при 25°C, освен ако не е посочено друго.
- Измерването включваше извършване на контролирана от деформацията амплитуда, надвишаваща деформацията на провлачане на материала, и автоматично анализиране на данните, за да се получи стойност на G* и δ в рамките на линейната област и стойност за напрежението на провлачане и деформацията на провлачане въз основа на пика на еластичното напрежение (σ').
Резултати и обсъждане
Фигура 3 сравнява редица различни продукти по отношение на тяхната относителна твърдост и еластичност при честота 1 Hz. От тази диаграма се вижда, че повечето образци са предимно еластични с фазови ъгли, по-малки от 45º. Въпреки това тези проби показват различни степени на твърдост, като например маслото за тяло е 25 пъти по-твърдо (по-висок модул) от лосиона за тяло, а дъвката за коса е почти 100 пъти по-твърда. Обратно, кремът за душ е предимно флуиден, с фазов ъгъл близък до 90º и относително ниска твърдост, със стойност на G* само 23 Pa в сравнение с приблизително 8000 Pa за маслото за тяло.
Ефектът на температурата върху текстурата на маслото е много значителен, като кристализацията на мазнините при ниски температури (хладилник) образува твърда и силно еластична структура, докато при стайна температура топенето на тази мастна матрица води до по-мека и по-малко еластична структура, по-близка по текстура до продукта с масло за тяло и пастата за зъби.
В таблица 1 са показани съответните стойности на границата на провлачване и деформацията на провлачване за гамата продукти. Обърнете внимание, че границата на провлачване по същество описва напрежението, необходимо за започване на разрушаване на мрежовата структура. Тъй като вискоеластичните флуиди (δ > 45º) не притежават мрежова структура, границата на провлачване в този случай се отнася до напрежението, необходимо за започване на значително течение (изтъняване при срязване).
Таблица 1: Резултати от пиковия анализ на кривите напрежение-деформация
| Образец | Напрежение на податливост (Pa) | Деформация при податливост (%) |
|---|---|---|
| Майонеза | 11.26 | 1.79 |
| Паста за зъби | 1.86 | 0.057 |
| Масло за тяло | 15.87 | 0.81 |
| Лосион за тяло | 2.24 | 2.63 |
| Крем за душ | 10.18 | 27.22 |
| Дъвка за оформяне на коса | 11.12 | 0.15 |
| Масло (5°C) | 34000 | 1.06 |
| Масло (25°C) | 1.12 | 0.096 |
Сравнявайки маслото за тяло и лосиона за тяло, става ясно, че първото изисква по-голямо натоварване, за да се разруши структурата. Това е очевидно по време на употребата на продукта, като маслото за тяло изисква по-голяма сила, за да започне да тече. Лосионът за тяло има по-висока деформация на провлачане и ще се деформира повече преди изтъняване, което предполага по-пластична/малко крехка структура. Доминиращата еластична майонеза има както високо напрежение на провлачане, така и деформация на провлачване, което отразява наблюдаваната "гумена текстура" в буркана.
Въпреки че измиването на тялото показва високо критично напрежение и деформация, за разлика от майонезата, то не притежава мрежова структура (δ > 45º). Следователно тези критични стойности се отнасят до напрежението и деформацията, които материалът може да издържи, преди потокът да се засили значително. Това понякога може да бъде свързано със степента на образуване на нишки или с жилавостта на продукта.
Маслото при температура в хладилника има много висок коефициент на пластичност, поради което може да бъде трудно за разнасяне; при 25ºС обаче се наблюдава значително намаляване на коефициента на пластичност поради топене на кристалната мастна матрица. Интересно е, че маслото е по-крехко при тази по-висока температура, както показва по-малката деформация на провлачане.
Заключение
Изпитването с амплитудно размахване може да предостави важна информация, свързана с текстурните свойства на материалите, като твърдост, пружиниране, структурна якост и крехкост. Чрез измерване на параметрите, свързани с тези свойства, е възможно да се изгради представа за това как ще изглежда и ще се държи материалът при деформации small. Подобна техника е полезна за характеризиране и сравняване на правилните материали.
Моля, обърнете внимание, че се препоръчва изпитването да се извършва с геометрия на конус и плоча или паралелна плоча, като последната е за предпочитане за дисперсии и емулсии с размери на частиците large. Такива типове материали могат да изискват използването на назъбена или грапава геометрия, за да се избегнат артефакти, свързани с приплъзване по повърхността на геометрията.