Úvod
Provádění smykových reologických měření na vzorcích s vysokým podílem pevných látek může být na rotačním reometru obtížné, protože vzorek může být náchylný k prasknutí i při nízkých až medium smykových rychlostech. Pokud k tomu dojde, je v datech patrný náhlý, prudký pokles smykového napětí, když se vzorek zlomí na okraji geometrické mezery.
Příkladem koncentrované suspenze náchylné k těmto jevům je zubní pasta. Zubní pasty se obvykle skládají z abraziva, polymerního zahušťovadla a dispergátoru ve vodném základu spolu s aromatickými a konzervačními látkami. Takové vysoce zabalené materiály obvykle vykazují lom při rotačním smyku, což může být problematické při posuzování vlastností za podmínek, které jsou relevantní pro danou aplikaci. V případě zubních past může být obtížné určit tokové charakteristiky relevantní pro zpracování a často je obtížné předpovědět, jak bude hotová zubní pasta vytékat z tuby na zubní kartáček.
Obrázek 1 ukazuje profil křivky rovnovážného toku typické zubní pasty. Všimněte si prudkého poklesu viskozity při 40 s-1, který odpovídá zlomu zubní pasty mezi horní a dolní geometrií.
Lom vzorku lze oddálit (z hlediska smykové rychlosti) použitím geometrie paralelní desky, která umožňuje použití menší velikosti mezery, ale nelze jej zcela vyloučit. Použití úzké mezery může být ve skutečnosti škodlivé v případě vysoce plněných materiálů obsahujících částice large, protože je nutné použít dostatečně velkou mezeru large, aby se částice při smyku nezasekávaly[1].
Alternativní technikou pro měření smykových tokových vlastností takových systémů je squeeze flow. Ta zahrnuje vložení vzorku mezi paralelní desky a následné měření normálové síly generované vzorkem, když se například mezera uzavírá konstantní rychlostí. Laun a další (Laun, Rady a Hassager, 1999) vyvinuli metodu, která zohledňuje částečný skluz stěn a umožňuje převést údaje o mezeře a normálové síle na smykové napětí a smykovou rychlost, což umožňuje vypočítat smykovou viskozitu jako funkci smykové rychlosti. Maximální smyková rychlost dostupná při nastavené rychlosti mezerování je omezena maximální schopností normálové síly reometru, ale často může překročit smykovou rychlost dosažitelnou pomocí rotační reometrie, kde vzorek vykazuje lom na hraně.
Metodika spočívá v tom, že na střed spodní geometrické desky se vloží definovaný objem vzorku a poté se horní deska spustí konstantní rychlostí do definované koncové mezery, viz obrázek 2. V závislosti na čase se měří síla generovaná vzorkem směrem nahoru, která odolává pohybu geometrie směrem dolů, a odpovídající mezera.
Experimentální
- Chování zubní pasty při stlačování bylo hodnoceno při rychlostech stlačování 2 mm/s a 10 mm/s.
- Měření byla prováděna na alikvotech zubní pasty o hmotnosti 1 g pomocí rotačního reometru Kinexus s kazetou s Peltierovou deskou a paralelním měřicím systémem o průměru 60 mm s využitím sekvence squeeze flow v softwaru rSpace for Kinexus.
- Srovnávací data rotační křivky toku byla generována s použitím zdrsněné paralelní desky o průměru 40 mm s mezerou 1 mm a s použitím standardní předkonfigurované sekvence rSpace.
- Všechna měření byla provedena při teplotě 25 °C.
- Hmotnost vzorku byla převedena na objem pomocí hustoty zubní pasty 1,3 g/cm3.
Výsledky a diskuse
Profil mezery a normálové síly pro zubní pastu s rychlostí mezerování 2 mm/s je znázorněn na obrázku 3. Modrá čára znázorňující mezeru ukazuje přiblížení horní geometrické desky ke vzorku. Jakmile se deska dostane do kontaktu se vzorkem, vytvoří stlačený válec o zvětšujícím se průměru a červená čára představující normálovou sílu se začne zvětšovat. Jakmile horní geometrie dosáhne definované koncové mezery, stlačující síla se stane konstantní, protože stlačování se zastaví.
Údaje o normálové síle a mezeře se pak na konci měření automaticky převedou na smykové napětí a smykovou rychlost pomocí rovnic [1] a [2]. Smyková viskozita se pak vypočítá vydělením výsledného smykového napětí odpovídající smykovou rychlostí.
Výsledná křivka průtoku vytvořená z údajů o průtoku squeeze při použití rychlosti mezerování 2 mm/s je znázorněna na obrázku 4. Tento graf ukazuje tři odlišné oblasti, pokud jde o chování vzorku při toku; do přibližně 7 s-1 vzorek teprve začíná téct, protože se začínají zvyšovat tlakové síly; od 7 s-1 vykazuje viskozitní profil gradientní změnu, protože vzorek vykazuje tok; další gradientní změna nastává nad 150 s-1, když tlakové síly dosáhnou maxima a tok vzorku se zastaví. Z tohoto důvodu jsou z měření použity pouze údaje o konstantním průtoku vzorku.
Zkouška průtoku stlačením byla opakována s čerstvým alikvotem zubní pasty o hmotnosti 1 g a tentokrát byla použita rychlost stlačení 10 mm/s. Srovnání údajů získaných rychlostí 2 a 10 mm/s je uvedeno na obrázku 5 spolu s údaji o rovnovážném toku získanými pomocí tradiční rotační reometrie.
Je vidět, že údaje o toku při stlačování se velmi dobře shodují s údaji o rotačním měření, přičemž se smyková rychlost rozšířila z maximálních 20 s-1 u rotačních měření na 700 s-1 u měření toku při stlačování. Různé vzorky mohou být samozřejmě pro techniku squeeze flow vhodnější nebo méně vhodné, než je zde uvedeno, proto se pro každou novou analýzu doporučují zkušební měření.
Závěr
Rotační reometr Kinexus s pokročilými možnostmi axiálního testování lze použít k rozšíření měřitelného rozsahu smykové rychlosti koncentrovaných suspenzí, které jsou náchylné k lámání, pomocí techniky squeeze flow. Vypočtené viskozity zubní pasty získané měřením stlačováním poskytly údaje srovnatelné s tradiční rotační reometrií a rozšířily rozsah smykové rychlosti téměř o dva řády.
Poznámka pod čarou
[1] Velikost mezery by měla být 10 x větší než velikost maximální částice, aby mezi částicemi byl dostatečný volný prostor pro jejich volný pohyb. Se zvyšující se smykovou rychlostí a úzkou mezerou mají částice large tendenci se zasekávat, což falšuje chování toku.