Въведение
Реологичните свойства на даден материал могат да повлияят на начина, по който той се възприема визуално и текстурно, и на вероятното му поведение по време на обработка. Например материалите, които се разреждат при срязване, са силно чувствителни към промените в приложеното напрежение, докато нютоновите материали* показват много по-малка зависимост. Тъй като повечето продукти, които представляват интерес, обикновено са материали, изтъняващи при срязване, е важно да може да се определи количествено това поведение. Това може да се направи чрез оценка на областта на закона на силата на кривата на потока, както е показано на фигура 1. Тази област изглежда линейна на логаритмичната диаграма на вискозитета в зависимост от скоростта на срязване, като се наблюдава постоянен градиент, но показва зависимост от закона на силата, когато се изобрази в линейна скала.
Математически тази област от кривата на потока може да се опише с помощта на модела на закона на силата или модела на Оствалд де Ваеле, даден в уравнение 1:
k е консистенцията, n е индексът на закона на силата, σ е скоростта на срязване, -γ е скоростта на срязване.
Консистентността има единици на Pasn, но числено е равна на вискозитета, измерен при 1s-1. Индексът на закона на силата варира от 0 за силно разреждащи се при срязване материали до 1 за нютонови материали.
След като тези параметри са известни, уравнението може да се използва за оценка на вискозитета при всяка стойност на скоростта на срязване в рамките на областта на изтъняване при срязване; важно е обаче уравнението да не се използва извън измерения диапазон на скоростта на срязване, тъй като в зависимост от изпитвания материал може да съществува нютонова област от двете страни на измерваната област.
Експериментален
- Поведението на лосион за кожа, който се разрежда при срязване, е оценено чрез провеждане на тест с таблица на скоростта на срязване и анализ на получената крива чрез напасване на модел на закона на силата.
- Измерванията с ротационен реометър бяха извършени с помощта на ротационен реометър Kinexus с патрон 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.
- Кривата на потока е генерирана, като е използвана равновесна таблица за тест на скоростта на срязване между 0,1 и 100 s-1 и модел на закона на силата, приложен към ръчно избрана част от тази крива.
*Нютоновите флуиди са наречени на името на сър Исак Нютон (1642 - 1726 г.), който описва поведението на теченията с проста линейна зависимост между напрежението на срязване [mPa] и скоростта на срязване [1/s]. Тази зависимост сега е известна като закон на Нютон за вискозитета.
Резултати и обсъждане
На фигура 2 е показана кривата на вискозитета и скоростта на срязване на лосиона за кожа. Ясно е, че този продукт има поведение на изтъняване при срязване, което се доказва от бързото намаляване на вискозитета с увеличаване на скоростта на срязване. Въпреки че при по-високи скорости на срязване има леко изкривяване, данните изглеждат сравнително правилни на двойно логаритмичния график при по-ниски скорости на срязване.
Поради лекото изкривяване над приблизително 10 s-1, в анализа са включени само данни между 0,1 и 10 s-1, тъй като данните изглеждат най-линейни в тази област (при логаритмично представяне). Кривите за моделите и оригиналните данни са показани графично на фигура 3, а параметрите на напасване и коефициентът на корелация са дадени в таблица 1.
Таблица 1: Данни за параметрите на монтажа на модела
| Образец Описание | Име на експеримента | Име на действието | k1 | η | Хи квадрат | Коефициент на корелация |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Лосион за кожа | Analyse_0004-1 | Приспособяване на модела на закона на силата | 11.71 | 0.1735 | 617.2 | 0.9908 |
Като се има предвид, че n = 1 за нютоновите материали и n = 0 за повечето ненютонови материали, може да се установи, че този материал е силно разреждащ се при срязване. Този индекс на разреждане при срязване може да се използва и за сравнение между различни продукти с цел сравнителен анализ или за прогнозиране на поведението в съответния процес или приложение, тъй като тази стойност често се изисква в много модели, описващи поведението на потока при ненютонови течности. По принцип колкото по-ниска е стойността на n, толкова по-лесно би трябвало да се разгражда при прилагане на срязване. Съгласуваността k е числено равна на вискозитета при 1 s-1 и има стойност 11,71 за тази конкретна проба. Това може да бъде полезно като обща мярка за вискозитет за сравнителни цели.
Коефициентът на корелация е добра мярка за това колко добре моделът съответства на данните, като за предпочитане е стойност, максимално близка до единица. За тази конкретна проба действителната стойност е 0,988, което показва добра корелация между измерените и прогнозираните данни.
На фигура 4 са показани подобни данни за редица други често срещани потребителски продукти и съответните им параметри на напасване.
След като се определят k и n, тези стойности могат да се използват за прогнозиране на вискозитета при всякаква скорост на срязване, като се използва уравнението на закона на силата. Това може да се окаже полезно при избора на оптимална опаковка, преформулирането на продукта, за да отговаря на специфични изисквания, или определянето на поведението на продукта по време на производството или на опаковъчната линия. Този модел обаче трябва да се използва само за прогнозиране на поведението в рамките на областта, в която се наблюдава поведението по закона на силата, тъй като той не описва кривината, която може да се наблюдава при по-високи или по-ниски скорости на срязване. За описване на поведението извън тази област може да са по-подходящи моделите на Сиско или Крос.
Заключение
Поведението на лосион за кожа, който се разрежда при срязване, е оценено чрез провеждане на тест с таблица на скоростта на срязване и анализиране на получената крива с помощта на модела на закона на силата.
Установено е, че моделът на закона на силата дава добро съответствие на кривата на потока между 0,1 и 10 s-1, като дава стойност 0,1735 за n и стойност 11,71 за k. Това показва, че материалът е силно разреждащ се при срязване с вискозитет 1000 пъти по-голям от този на водата при скорост на срязване 1 s-1.
Такъв модел е доказано полезен за количествено определяне на поведението при срязване, а също и за сравняване на продукти и формулировки.
Моля, обърнете внимание: Препоръчва се 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 може да изискват използването на назъбени или грапави геометрии, за да се избегнат артефакти, свързани с приплъзване по повърхността на геометрията.