Evaluering af produktspredningsegenskaber på rotationsreometer ved hjælp af Power Law-modellen

Introduktion

Et produkts reologiske egenskaber kan påvirke, hvordan det opfattes visuelt og teksturelt af en forbruger, og hvordan det sandsynligvis vil opføre sig under brugen af produktet. For eksempel vil meget forskydningsfortyndende materialer være meget følsomme over for ændringer i påført StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress, mens newtonske materialer vil vise meget mindre afhængighed. En sådan reaktion er vigtig, når man overvejer, hvor let det er at sprede eller "spredeevne".

Spredningsprocessen medfører en konsekvent reduktion af lagtykkelsen, da den fordeles over et større overfladeareal, som vist i figur 1. Da forskydningshastigheden er lig med den påførte hastighed divideret med lagtykkelsen, kan spredning derfor ikke tilskrives en enkelt forskydningshastighed.

En bedre måde at vurdere spredningsevnen på er ved at karakterisere ændringen i viskositet over en række forskydningshastigheder som vist i figur 2. Det interessante område er forskydningsudtyndingen eller power law-området, da det beskriver, hvor let materialestrukturen nedbrydes med påført forskydning. Dette område ser lineært ud på et log-log-plot af viskositet vs. forskydningshastighed med en konstant gradient, men viser potenslovsafhængighed, når det plottes på en lineær skala.

Grafen viser faldet i produktlagets tykkelse over tid og fremhæver spredningsdynamikken i materialeanalysen. — 1) Diagram, der viser, hvordan produktlagets tykkelse ændres under spredning

Diagram, der illustrerer den ideelle strømningskurve med viskositetsmodeller: Cross/Carreau/Moore, Power-law og Sisko. — 2) Diagram, der viser en ideel flowkurve og de relevante modeller til beskrivelse af dens form

Matematisk kan dette område af flowkurven beskrives ved hjælp af Power Law eller Ostwald de Waele-modellen, som er beskrevet i ligning 1.

Billedet viser en matematisk ligning, σ = kγ^n, der repræsenterer en flowmodel, som sandsynligvis er relateret til materialeadfærd i fysik eller teknik.

k er konsistensen
n er power law-indekset
σ er forskydningshastigheden

Konsistens har enheden Pasn, men er numerisk lig med viskositeten målt ved 1 ^s-1. Power law-indekset går fra 0 for meget forskydningsfortyndende materialer til 1 for newtonske materialer.

Jo lavere stressinput, der kræves, jo lettere bør materialet være at sprede. En lavere værdi af k betyder lavere viskositet og dermed lavere stressinput, mens en lavere værdi af n indikerer større ForskydningsudtyndingDen mest almindelige type ikke-newtonsk opførsel er forskydningsfortynding eller pseudoplastisk flow, hvor væskens viskositet falder med stigende forskydning.forskydningsfortynding, hvilket betyder en mindre stressforøgelse med stigende forskydningshastighed.

Disse oplysninger kan vises i et diagram som det, der er vist i figur 3. Materialer med lave k-værdier og/eller lave n-værdier bør være lettest at sprede.

Diagram, der illustrerer produktkonsistens baseret på forskydningsfortynding, med forskellige produkter som margarine, honning og bodylotion. — 3) Diagram, der viser, hvordan forskellige produkter kan passe ind i et plot af k versus n

Eksperimentel

Spredbarheden af en række forbrugerprodukter blev vurderet ved at udføre en rampetest med forskydningshastighed og analysere den resulterende kurve ved hjælp af en potenslovsmodel.
Der blev foretaget rotationsreometermålinger ved hjælp af et Kinexus rotationsreometer med en Peltier-pladepatron og et ^målesystem med ru parallelle plader1 og ved hjælp af forudkonfigurerede standardsekvenser i rSpace-softwaren.
Der blev brugt en standardbelastningssekvens for at sikre, at begge prøver var underlagt en ensartet og kontrollerbar belastningsprotokol.
Alle reologimålinger blev udført ved 25 °C.
Flowkurven blev genereret ved hjælp af en shear rate rampetest, og en Power Law-modellenPower law-modellen er en almindelig reologisk model til at kvantificere (typisk) den forskydningsfortyndende karakter af en prøve, hvor værdien tættere på nul indikerer et mere forskydningsfortyndende materiale.power law-model blev tilpasset denne kurve.

Resultater og diskussion

Figur 4 viser kurven for viskositet og forskydningshastighed for en række kommercielle produkter og deres tilsvarende tilpasningsparametre, med en grafisk præsentation af sidstnævnte i figur 5.

Selvom tandpasta og håndcreme har lignende k-værdier, har håndcreme en meget lavere n-værdi, hvilket gør den mere forskydningsfortyndende og lettere at smøre ud. Omvendt har sirup og chokoladesauce meget lavere k-værdier, men er ikke forskydningsfortyndende, og derfor virker de tykke og klæbrige under påføring. Bodylotionen har både en relativt lav k- og n-værdi, hvilket gør den meget lettere at påføre. For kvantitativt at sammenligne spændingsbehovet for spredning af henholdsvis håndcreme og sirup ved tilsvarende forskydningshastigheder kan værdierne for n og k sættes ind i ligning 1. Med en enkelt forskydningshastighed på 1 ^s-1, som kan svare til et tykkere produktlag, er den nødvendige StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning for at opretholde flowet ved denne forskydningshastighed 279 Pa for håndcremen og 10 P a for sirupen (σ = k ved 1 ^s-1). Ved en forskydningshastighed på 1.000 ^s-1, som svarer til et tyndere lag materiale som følge af spredningsprocessen, stiger spændingskravet til 734 Pa for håndcremen og 10.000 Pa for siruppen. Dette understreger vigtigheden af Ikke-newtonskEn ikke-newtonsk væske er en væske, der har en viskositet, der varierer som en funktion af den påførte forskydningshastighed eller forskydningsspænding.ikke-newtonsk opførsel i spredningsprocessen.

Flowkurver viser viskositetsdata for håndcreme, bodylotion, tandpasta og sirup med parametre, der passer til modellen. — 4) Flowkurver og modeltilpasningsparametre for forskellige prøver

Plot, der viser modeltilpasningsparametre k og n for håndcreme, bodylotion, tandpasta og sirup i en videnskabelig analysediagram. — 5) Modeltilpasningsparametre k og n plottet mod hinanden

Konklusion

En rampetest med forskydningshastighed med en power law-modeltilpasning blev brugt til at karakterisere spredbarheden af forskellige kommercielle produkter ved hjælp af power law-tilpasningsparametrene k og n. Lave værdier af k og n indikerer lavere viskositet og en større grad af ForskydningsudtyndingDen mest almindelige type ikke-newtonsk opførsel er forskydningsfortynding eller pseudoplastisk flow, hvor væskens viskositet falder med stigende forskydning.forskydningsfortynding, hvilket vil bidrage til lettere spredning.

Bemærk venligst...

at det anbefales at teste med kegle- og pladegeometri eller parallelpladegeometri - hvor sidstnævnte foretrækkes til dispersioner og emulsioner med large partikelstørrelser. Sådanne materialetyper kan også kræve brug af savtakkede eller ru geometrier for at undgå artefakter i forbindelse med glidning på geometriens overflade.