Úvod
Mnoho spotřebních výrobků je baleno v tubách nebo lahvích, kde aplikace výrobku spočívá v čerpání výrobku přes trysku. Takové výrobky jsou obvykle smykově řídké, u nichž viskozita během vytlačování klesá v důsledku zvyšující se smykové rychlosti a poté se obnovuje při výstupu z trysky, když se smyková rychlost snižuje. Smyková rychlost, která se vyskytuje během tohoto procesu, souvisí s poloměrem r ústí a objemovým průtokem Q podle následujícího výrazu:
Parametr n je index mocninného zákona, který je 1 pro newtonovskou kapalinu a mezi 0 a 1 pro nenewtonovskou kapalinu. Tuto hodnotu lze snadno získat ze zkoušky s proměnnou smykovou rychlostí dosazením modelu mocninného zákona na výsledná data.
Měřením objemového průtoku (objem vydaný za daný čas) a vnitřního poloměru otvoru lze odhadnout smykovou rychlost, která se vyskytuje během procesu vytlačování. Tuto hodnotu lze zadat do zkoušky skokové smykové rychlosti (obrázek 1), která stříhá vzorek při nízké smykové rychlosti po danou dobu (před vytlačováním), než se zvýší na požadovanou smykovou rychlost. Poté se sleduje obnovení viskozity při poklesu smykové rychlosti na počáteční hodnotu. Tato zkouška ukazuje, jak rychle se vzorek po vytlačování zotavuje ze své viskozity, a udává tloušťku nebo viskozitu výrobku v době použití.
Tixotropní vlastnosti lze kvantifikovat měřením konečné viskozity na konci první fáze a doby, za kterou se během poslední fáze zkoušky obnoví definované procento této viskozity. Tuto hodnotu lze použít pro porovnání jednotlivých výrobků nebo přípravků a je použitelná v široké škále průmyslových odvětví a aplikací.
Experimentální
- Vlastnosti obnovení viskozity zubní pasty a tělového mléka byly hodnoceny za podmínek smykové rychlosti spojené s vytlačováním výrobku během používání.
- Měření rotačním reometrem byla prováděna pomocí rotačního reometru Kinexus s kazetou s Peltierovou deskou 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.
- Příslušné smykové rychlosti vytlačování byly automaticky vypočteny jako součást zkušební sekvence na základě zadaných hodnot vytlačovaného objemu, doby vytlačování a poloměru clony. Zkouška byla naprogramována tak, aby se tato vypočtená hodnota použila jako mezistupeň smykové rychlosti ve zkoušce s krokovou smykovou rychlostí s krokem 1 a krokem 2 s konstantní smykovou rychlostí 0,1 s-1.
- Čas do obnovení 90 % původní viskozity výrobků byl automaticky stanoven a uveden na konci zkoušky.
Výsledky a diskuse
Automatická kalkulačka vyhodnotila smykovou rychlost pro vytlačování pro dodávku výrobku na 34 s-1 pro zubní pastu a 840 s-1 pro tělové mléko. Tyto hodnoty byly použity v mezistupni zkoušky.
Obrázek 2 ukazuje výsledky pro zubní pastu. Je zřejmé, že se jedná o vysoce tixotropní materiál, protože v časovém měřítku zkoušky nedosáhne plné obnovy své struktury, dosáhne pouze 70 % své původní viskozity a trvá přibližně 6 minut, než této úrovně obnovy dosáhne.
naproti tomu tělové mléko znázorněné na obrázku 3 obnoví téměř celou svou původní viskozitu za pouhých 7 sekund, než dosáhne stejného procenta obnovy jako zubní pasta, a za 23 sekund, než dosáhne 90% obnovy. V porovnání s tím by tento materiál byl klasifikován jako v podstatě ne-tixotropní.
Z hlediska spotřebitele by to znamenalo, že tělové mléko se po kontaktu s pokožkou velmi rychle restrukturalizuje, což může zabránit nadměrnému roztírání nebo případnému stékání. Zubní pasta by měla na kartáčku před čištěním nižší viskozitu, což by mělo usnadnit její distribuci v ústech a možná ovlivnit senzorické vlastnosti. Je však důležité, aby viskozita nebyla tak nízká, aby výrobek mohl protékat štětinami nebo se na kartáčku prohýbat.
Závěr
Na zubní pastě a tělovém mléku byla provedena třístupňová zkouška smykové rychlosti, aby se vyhodnotil rozsah obnovení viskozity po vytlačení z tuby, resp. lahvičky. Ukázalo se, že zubní pasta je vysoce tixotropní, přičemž obnovení 70 % původní viskozity trvá 6 minut. Tělové mléko dosáhlo stejného stupně obnovy za pouhých 7 sekund a lze ho považovat za netixotropní ve srovnání s tělovým mlékem
1Upozorňujeme, že...
že se doporučuje provádět zkoušky s kuželovou a deskovou nebo paralelní deskovou geometrií - 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.