Tipy a triky
Reologie pro začátečníky - stanovení viskozity krému na ruce
Reologické vlastnosti krému nebo mléka úzce souvisejí s různými očekáváními uživatelů:
- Jeho schopnost zůstat v tubě, dokud není zmáčknuta
- Jeho schopnost zůstat na místě, kam byl dávkován, dokud se nerozetře
- Dobrá tekutost při potírání.
V následujícím textu ukážeme, jak měření rotačním reometrem Kinexus poskytují informace o tomto požadovaném chování krému na ruce.
Obecné informace
Rotační reometr se obvykle skládá ze dvou rovnoběžných desek, mezi které se vkládá vzorek. Horní deska se otáčí a táhne vzorek. Spodní deska zůstává pevná. Kinexus se obvykle používá k provádění dvou typů měření:
Viskometrie:
Horní deska se otáčí s definovanou smykovou rychlostí řízenou mezerou a rychlostí otáčení. Výsledkem je záznam viskozity η vzorku, tj. jeho odporu proti proudění.
Oscilace:
Horní deska osciluje s definovanou amplitudou a frekvencí. Výsledkem jsou viskoelastické vlastnosti vzorku popsané modulem pružnosti ve smyku G´, ztrátovým modulem G" a fázovým úhlem δ (abychom jmenovali alespoň některé).
Viskozimetrie - jak kvantifikovat chování krému v tubě, při vymačkávání z tuby a při roztírání na ruce
Na obrázku 1 je zobrazena křivka viskozity komerčního krému na ruce v závislosti na použité smykové rychlosti. Materiál vykazuje smykové řídnutí: viskozita klesá s rostoucí smykovou rychlostí.
Nižší smykové rychlosti odrážejí chování krému za podmínek blízkých klidovým. Vyšší viskozita při nízkých smykových rychlostech zajišťuje dvě vlastnosti výrobku: Krém se z tuby nedostane bez vnějšího zatížení (= stlačení tuby). Navíc po nanesení na pokožku zůstane v ruce, aniž by vytekl.
Jakmile uživatel zmáčkne tubu, začne krém působit vyššími smykovými rychlostmi. Podle výsledné křivky to vede ke snížení viskozity výrobku, takže snadno vytéká z tuby. Vyšší smykové rychlosti také napodobují chování krému při roztírání na pokožce. Tento proces je díky nižší viskozitě snazší, což má za následek hladší pocit na pokožce. V této souvislosti je důležitým pojmem Mez kluzuMez kluzu je definována jako napětí, pod nímž nedochází k toku; v klidu se chová doslova jako slabá pevná látka a při poddajnosti jako kapalina.mez kluzu, tj. minimální napětí, které musí být na materiál aplikováno, aby vyvolalo jeho tečení.
Na obrázku 2 je zobrazeno měření meze kluzu na krému na ruce. V oblasti nižších smykových napětí vidíme zjevný nárůst viskozity, který je způsoben protažením struktury vzorku před mezí kluzu. Krém na ruce začne téct až po dosažení vrcholu viskozity (viz červená šipka). U tohoto příkladu dochází k dalšímu přechodu při vyšším napětí, od kterého viskozita silně klesá a je volně tekoucí. Software automaticky vypočítá hodnotu meze kluzu: krém by začal téct od smykového napětí 11,7 Pa.
Oscilace - jeden materiál, různé chování... V závislosti na časovém měřítku procesu
Amplitudový švih
Při měření oscilací se vzorek musí nacházet v tzv. lineární viskoelastické oblasti (Lineární viskoelastická oblast (LVER)Při LVER jsou aplikovaná napětí nedostatečná k tomu, aby způsobila strukturální poruchu (poddajnost) konstrukce, a proto se měří důležité mikrostrukturální vlastnosti.LVER), ve které působící deformace nebo napětí nevede k porušení související struktury vzorku. Proto se v prvním kroku na materiálu provede oscilační zkouška s definovanou frekvencí a proměnlivou amplitudou deformace. Výsledkem je maximální amplituda umožňující nedestruktivní zkoušku - mezní napětí nebo deformace Lineární viskoelastická oblast (LVER)Při LVER jsou aplikovaná napětí nedostatečná k tomu, aby způsobila strukturální poruchu (poddajnost) konstrukce, a proto se měří důležité mikrostrukturální vlastnosti.LVER.
Na obrázku 3 jsou znázorněny křivky modulu pružnosti G' a modulu viskozity G" během amplitudového rozsahu. Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. Modul pružnosti zůstává konstantní až do 0,2 %. To znamená, že pro deformace nižší než 0,2 % je látka v Lineární viskoelastická oblast (LVER)Při LVER jsou aplikovaná napětí nedostatečná k tomu, aby způsobila strukturální poruchu (poddajnost) konstrukce, a proto se měří důležité mikrostrukturální vlastnosti.LVER.
Frekvenční škála
Při dalším měření je amplituda nastavena na 0,1 %, zatímco frekvence se mění, aby bylo možné zkoumat odezvu materiálu v různých časových intervalech. Výsledky jsou znázorněny na obrázku 4.
V celém měřeném frekvenčním rozsahu jsou hodnoty G´ větší než hodnoty G": elastické vlastnosti krému jsou dominantnější než jeho viskózní vlastnosti. Krém neteče, ale chová se jako pevná látka. To je patrné i z fázového úhlu, který je stupnicí tekutosti vzorku, od nuly, kdy se chová zcela jako pevná látka, až po 90°, což znamená dokonalé chování jako kapalina. Obrázek 4 ukazuje, že tento vzorek zůstává v celém rozsahu testovaných frekvencí spíše pevný (tj. fázový úhel <45°), tj. neteče
Závěr
Spotřebitel od krému na ruce očekává téměř protichůdné chování: Měl by se chovat jako pevná látka, aby nevytekl z tuby dříve, než ho uživatel zmáčkne, a aby mu po dávkování nestékal z ruky. Zároveň by se však měl při roztírání na pokožce chovat jako kapalina tím, že volně stéká. Reologická měření napodobují tyto různé scénáře deformace a nedeformace. Viskozita krému se snižuje s rostoucí rychlostí střihu: během mačkání tuby nebo roztírání krému na kůži je pocitově "méně viskózní" než v klidovém stavu - přesně tak, jak uživatel očekává.