Въведение
Реологичните свойства на даден продукт могат да повлияят на това как той се възприема визуално и текстурно от потребителя и как вероятно ще се държи по време на употребата му. Например материалите, които се разреждат при срязване, са силно чувствителни към промените в приложеното напрежение, докато нютоновите материали показват много по-малка зависимост. Тази реакция е важна, когато се разглежда лесното разнасяне или "разстилаемостта".
Процесът на разнасяне води до последващо намаляване на дебелината на слоя, тъй като той се разпределя върху по-голяма повърхност, както е показано на фигура 1. Тъй като скоростта на срязване е равна на приложената скорост, разделена на дебелината на слоя, разнасянето не може да се припише на една-единствена скорост на срязване.
По-добър начин за оценка на разстилаемостта е да се характеризира промяната на вискозитета в диапазон от скорости на срязване, както е показано на фигура 2. Областта, която представлява интерес, е областта на изтъняване при срязване или областта на закона на силата, тъй като тя описва колко лесно се разрушава структурата на материала при приложено срязване. Този регион изглежда линеен на логаритмичната графика на вискозитета в зависимост от скоростта на срязване с постоянен градиент, но показва зависимост от закона на силата, когато се нанесе в линейна скала.
Математически тази област от кривата на потока може да се опише с помощта на закона на силата или модела на Оствалд де Ваеле, даден с уравнение 1.
? = ??̇?
k е консистенцията
n е индексът на закона на силата
σ е напрежението на срязване
?̇ е скоростта на срязване
Консистенцията има единици за Pasn, но числено е равна на вискозитета, измерен при 1s-1. Индексът на закона на силата варира от 0 за материали, които се разреждат при срязване, до 1 за нютонови материали. Колкото по-ниско е необходимото входно напрежение, толкова по-лесно трябва да се разпространява материалът. По-ниската стойност на k означава по-нисък вискозитет и следователно по-ниско вложено напрежение, докато по-ниската стойност на n показва по-голямо изтъняване при срязване, което се изразява в по-малко нарастване на напрежението при увеличаване на скоростта на срязване.
Тази информация може да бъде представена на диаграма, подобна на показаната на фигура 3. Материалите с ниски стойности на k и/или ниски стойности на n трябва да се разпространяват най-лесно.
Експериментален
- Разстилаемостта на редица потребителски продукти е оценена чрез провеждане на тест с нарастване на скоростта на срязване и анализиране на получената крива с помощта на модел на закона на силата.
- Измерванията с ротационен реометър бяха извършени с помощта на ротационен реометър Kinexus с касета с плочи на Пелтие и система за измерване на грапави паралелни плочи1 и с помощта на стандартни предварително конфигурирани последователности в софтуера rSpace.
- Използвана е стандартна последователност на натоварване, за да се гарантира, че и двете проби са подложени на последователен и контролируем протокол на натоварване.
- Всички реологични измервания са извършени при 25°C.
- Генерирана е крива на потока, като е използван тест с рампа на скоростта на срязване и към тази крива е приложен модел на закона на силата.
Резултати и обсъждане
На фигура 4 е показана кривата "вискозитет-скорост на срязване" за редица търговски продукти и съответните им параметри на напасване, като графичното представяне на последните е показано на фигура 5.
Въпреки че пастата за зъби и кремът за ръце имат сходни стойности на к, кремът за ръце има много по-ниска стойност на n, което го прави по-разреждащ се и по-лесен за разнасяне. Обратно, сиропът и шоколадовият сос имат много по-ниски стойности на k, но не са срязващи, поради което изглеждат гъсти и лепкави по време на нанасяне. Лосионът за тяло има сравнително ниски стойности на k и n, което го прави много по-лесен за нанасяне.
За да се сравнят количествено необходимите напрежения за разнасяне на крем за ръце и сироп съответно при еквивалентни скорости на срязване, стойностите на n и k могат да се заместят в уравнение 1. Като се вземе предвид единична скорост на срязване от 1s-1, която може да се приравни към по-дебел слой продукт, напрежението, необходимо за поддържане на потока при тази скорост на срязване, е 279 Pa за крема за ръце и 10 Pa за сиропа (σ = k при 1s-1). При скорост на срязване от 1000s-1, която би била свързана с по-тънък слой материал в резултат на процеса на разнасяне, изискваното напрежение нараства до 734 Pa за крема за ръце и 10 000 Pa за сиропа. Това подчертава значението на ненютоновото поведение в процеса на разнасяне.
Заключение
За характеризиране на разстилаемостта на различни търговски продукти е използван тест с рампа на скоростта на срязване и модел на закона на силата, като са използвани параметрите на закона на силата k и n. Ниските стойности на k и n показват съответно по-нисък вискозитет и по-голяма степен на изтъняване при срязване, което допринася за по-лесното разстилане.
1Моля,обърнете внимание, че се препоръчва изпитването да се извършва с геометрия на конус и плоча или паралелна плоча, като последната се предпочита 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.