Introduktion
Mange forbrugerprodukter er pakket i rør eller flasker, hvor produktpåføringen indebærer, at produktet pumpes gennem en dyse. Sådanne produkter har tendens til at være forskydningsfortyndende produkter, hvor viskositeten falder under ekstruderingsprocessen på grund af den stigende forskydningshastighed og derefter genoprettes, når de forlader åbningen, når forskydningshastigheden reduceres. Den forskydningshastighed, der opstår under denne proces, er relateret til åbningens radius, r, og den volumetriske strømningshastighed Q ved hjælp af følgende udtryk:
Parameteren n er power law-indekset, som er 1 for en newtonsk væske og mellem 0-1 for en 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 væske. Denne værdi kan nemt opnås fra en test med variabel forskydningshastighed ved at tilpasse en potenslovsmodel til de resulterende data.
Ved at måle den volumetriske strømningshastighed (volumen udleveret på en given tid) og den indre radius af åbningen er det muligt at estimere den forskydningshastighed, der opstår under ekstrudering.
Da mange forbrugerprodukter, herunder fødevarer, belægninger og toiletartikler/kosmetik, kan have meget sarte mikrostrukturer, bliver disse strukturer let nedbrudt under ekstruderingsprocessen og genvinder måske ikke deres oprindelige struktur, før der er gået en vis tid. Materialer, som har en tidsafhængig strukturel gendannelse eller genopbygning, kaldes thixotrope. Ved at beregne den forskydningshastighed, der opstår under ekstrudering, og bruge den i den mellemliggende fase af en step strain-shear rate-test, er det muligt at efterligne strukturel NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning som følge af ekstrudering.
Ved straks at følge den strukturelle gendannelse gennem det elastiske modul G' som en funktion af tiden, er det muligt at bestemme systemets strukturelle gendannelse og i sidste ende produktets strukturelle integritet på brugstidspunktet. Dette kan være vigtigt med hensyn til fysisk udseende (modstandsdygtighed over for sammenfald), tekstur ved brug eller produktfunktionalitet, f.eks. evnen til at klæbe sig fast til en lodret overflade.
Eksperimentel
- De strukturelle genopretningsegenskaber for tandpasta og en hårgel blev evalueret under forskydningshastighedsforhold, der er forbundet med produktekstrudering under brug.
- Målinger med rotationsreometer blev foretaget 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.
- De relevante ekstruderingsforskydningshastigheder blev automatisk beregnet som en del af testsekvensen ved hjælp af indtastede værdier for ekstruderet volumen, ekstruderingstid og åbningsradius. Testen blev programmeret til at bruge denne beregnede værdi som den mellemliggende forskydningshastighed i en trinvis forskydningshastighedstest med trin 1 og trin 2, der anvender en konstant belastningsværdi i prøverne Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER med en frekvens på 1 Hz.
- Den tid, det tog at genvinde 90 % af produktets oprindelige elasticitet (G'), blev automatisk bestemt og rapporteret ved afslutningen af testen.
Resultater og diskussion
Den automatiske beregner vurderede forskydningshastigheden i ekstruderingsprocessen til at være 86 s-1 for tandpastaen og 240 s-1 for hårgeléen. Disse værdier blev brugt i testens mellemliggende shear rate-fase.
Figur 1 viser resultaterne for tandpastaen. Det er tydeligt, at det er et meget tixotropt materiale, som det fremgår af gendannelseskurven, der viser, at det ikke helt genvinder sin struktur inden for testens tidsramme, idet det kun når 50 % af sin oprindelige G'-værdi efter ca. 500 sekunder.
Omvendt genvinder hårgelen (figur 2) sin struktur næsten øjeblikkeligt, idet 90 % af gendannelsen sker i løbet af de første 5 sekunder, og gendannelsen er fuldstændig inden for 20 sekunder. Det er vigtigt for dette produkt, da det skal give øjeblikkeligt hold i håret, før harpiksen kan danne en elastisk film, der holder på længere sigt.
Bemærk, at begge materialer ser ud til at udvise flydespændingsadfærd ved den målte frekvens, da G' overstiger G", hvilket indikerer en sammenkoblet eller faststofdominerende mikrostruktur.
Konklusion
Der blev udført en tretrins belastnings-/forskydningshastighedstest på en tandpasta og en hårgelé for at evaluere hastigheden og omfanget af elasticitetsgenoprettelsen efter ekstrudering fra en tube. Tandpastaen viste sig at være meget tixotropisk, og det tog 500 sekunder at genvinde 50 % af sin oprindelige elasticitet, mens hårgelen genvandt den næsten med det samme.
Bemærk venligst...
at det anbefales at udføre test med kegle- og plade- 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.