Úvod
Reologické vlastnosti výrobku mohou ovlivnit to, jak jej spotřebitel vnímá po vizuální a texturní stránce a jak se pravděpodobně bude chovat během používání výrobku. Například materiály s velmi řídkým smykem budou velmi citlivě reagovat na změny aplikovaného napětí, zatímco newtonské materiály budou vykazovat mnohem menší závislost. Taková reakce je důležitá při posuzování snadnosti roztírání neboli "roztíratelnosti".
Proces roztírání způsobuje následné snížení tloušťky vrstvy, protože se rozprostře na větší plochu, jak je znázorněno na obrázku 1. Protože smyková rychlost se rovná podílu aplikované rychlosti a tloušťky vrstvy, nelze proto roztírání přičítat jediné smykové rychlosti.
Lepší způsob hodnocení roztíratelnosti je charakterizovat změnu viskozity v rozsahu smykových rychlostí, jak je znázorněno na obrázku 2. Oblastí zájmu je oblast ztenčení smykem nebo oblast mocninného zákona, protože popisuje, jak snadno se struktura materiálu rozpadá působením smyku. Tato oblast se jeví jako lineární na logaritmickém grafu závislosti viskozity na smykové rychlosti s konstantním gradientem, ale při vynesení na lineární stupnici vykazuje závislost na mocninném zákonu.
Matematicky lze tuto oblast průtokové křivky popsat pomocí Powerova zákona nebo Ostwaldova de Waeleho modelu, který je dán rovnicí 1.
? = ??̇?
k je konzistence
n je index mocninného zákona
σ je smykové napětí
?̇ je smyková rychlost
Konzistence má jednotky Pasn, ale číselně se rovná viskozitě měřené při 1s-1. Index mocninného zákona se pohybuje v rozmezí od 0 pro velmi smykově řídké materiály po 1 pro newtonovské materiály. Čím nižší je požadovaný příkon napětí, tím snadněji by se měl materiál šířit. Nižší hodnota k znamená nižší viskozitu, a tedy nižší příkon napětí, zatímco nižší hodnota n znamená větší smykové ztenčení, což se projevuje menším nárůstem napětí s rostoucí smykovou rychlostí.
Tyto informace lze znázornit v grafu podobném tomu na obrázku 3. Materiály s nízkými hodnotami k a/nebo nízkými hodnotami n by se měly nejsnáze roztírat.
Experimentální
- Roztíratelnost řady spotřebních výrobků byla hodnocena pomocí testu nárůstu smykové rychlosti a analýzy výsledné křivky pomocí modelu mocninného zákona.
- Měření rotačním reometrem byla provedena pomocí rotačního reometru Kinexus s Peltierovou deskovou kazetou a zdrsněným paralelním měřicím systémem1 a za použití standardních předkonfigurovaných sekvencí v softwaru rSpace.
- Byla použita standardní sekvence zatěžování, aby bylo zajištěno, že oba vzorky byly podrobeny konzistentnímu a kontrolovatelnému protokolu zatěžování.
- Všechna reologická měření byla prováděna při teplotě 25 °C.
- Křivka toku byla vytvořena pomocí testu nárůstu smykové rychlosti a na tuto křivku byl dosazen Model mocninného zákonaModel mocninného zákona je běžný reologický model pro kvantifikaci (typicky) smykového ztenčení vzorku, přičemž hodnota blížící se nule znamená, že materiál je smykově ztenčenější.model mocninného zákona.
Výsledky a diskuse
Na obrázku 4 je uvedena křivka viskozity a rychlosti smyku pro řadu komerčních výrobků a odpovídající parametry fitování, které jsou graficky znázorněny na obrázku 5.
Ačkoli zubní pasta a krém na ruce mají podobné hodnoty k, krém na ruce má mnohem nižší hodnotu n, takže je smykově řidší a lépe se roztírá. Naopak sirup a čokoládová omáčka mají mnohem nižší hodnoty k, ale nejsou smykově řídké, a proto se při aplikaci jeví jako husté a lepivé. Tělové mléko má relativně nízkou hodnotu k i n, takže se mnohem snadněji nanáší.
Pro kvantitativní porovnání potřebného napětí pro roztírání krému na ruce, respektive sirupu, při ekvivalentních smykových rychlostech, lze hodnoty n a k dosadit do rovnice 1. Uvažujeme-li jedinou smykovou rychlost 1 s-1, která může být ekvivalentní silnější vrstvě výrobku, je napětí potřebné k udržení toku při této smykové rychlosti 279 Pa pro krém na ruce a 10 Pa pro sirup (σ = k při 1 s-1). Při smykové rychlosti 1000 s-1, která by se vztahovala k tenčí vrstvě materiálu vznikající při roztírání, se požadované napětí zvyšuje na 734 Pa pro krém na ruce a 10 000 Pa pro sirup. To poukazuje na význam nenewtonského chování v procesu roztírání.
Závěr
K charakterizaci roztíratelnosti různých komerčních výrobků byla použita zkouška smykové rampy s fitováním modelu mocninného zákona pomocí fitovacích parametrů mocninného zákona k a n. Nízké hodnoty k a n naznačují nižší viskozitu, respektive vyšší stupeň smykového zřeďování, což přispívá ke snadnějšímu roztírání.
1Upozorňujeme, že testování se doporučuje provádět pomocí kuželové a deskové nebo paralelní deskové geometrie - přičemž druhá jmenovaná geometrie se upřednostňuje pro disperze a emulze s velikostí částic large. Tyto typy materiálů mohou rovněž vyžadovat použití vroubkované nebo zdrsněné geometrie, aby se zabránilo artefaktům souvisejícím s prokluzováním na povrchu geometrie.