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 og 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 ekstruderingsprocessen. Denne værdi kan indtastes i en trinvis forskydningshastighedstest (figur 1), som forskyder prøven ved en lav forskydningshastighed i et givet tidsrum (før ekstrudering), før den øges til den ønskede forskydningshastighed. Derefter følges viskositetsgenoprettelsen, når forskydningshastigheden falder til den oprindelige værdi. Denne test viser, hvor hurtigt prøven genvinder sin viskositet efter ekstruderingsprocessen, og angiver produktets tykkelse eller viskositet på anvendelsestidspunktet.
Thixotrope egenskaber kan kvantificeres ved at måle den endelige viskositet i slutningen af den første fase og den tid, det tager for en defineret procentdel af denne viskositet at blive genvundet i den sidste fase af testen. Denne værdi kan bruges til at sammenligne produkter eller formuleringer og kan anvendes i en lang række industrier og applikationer.
Eksperimentel
- Viskositetsgenoprettelsesegenskaberne for tandpasta og en bodylotion blev evalueret under forskydningshastighedsforhold i forbindelse med produktekstrudering under brug.
- Der blev foretaget rotationsreometermålinger ved hjælp af et Kinexus rotationsreometer med en Peltier-pladepatron og et råt parallelt plademålesystem1 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, hvor trin 1 og trin 2 anvendte en konstant forskydningshastighed på 0,1 s-1.
- Den tid, det tog at genvinde 90 % af produktets oprindelige viskositet, blev automatisk bestemt og rapporteret ved afslutningen af testen.
Resultater og diskussion
Den automatiske beregner vurderede forskydningshastigheden for ekstrudering til produktlevering til at være 34 s-1 for tandpastaen og 840 s-1 for bodylotionen. Disse værdier blev brugt i den mellemliggende fase af testen.
Figur 2 viser resultaterne for tandpastaen. Det er tydeligt, at dette er et meget tixotropt materiale, da det ikke helt genvinder sin struktur inden for testens tidsramme, idet det kun når 70 % af sin oprindelige viskositet og tager ca. 6 minutter at nå dette niveau af genvinding.
i modsætning hertil genvinder bodylotionen i figur 3 næsten hele sin oprindelige viskositet, idet det kun tager 7 sekunder at opnå samme procentvise genvinding som tandpastaen og 23 sekunder at opnå 90 % genvinding. Dette materiale ville blive klassificeret som stort set ikke-thixotropisk i sammenligning.
I forbrugerøjemed betyder det, at bodylotionen omstruktureres meget hurtigt, når den kommer i kontakt med huden, hvilket kan forhindre overdreven spredning eller potentiel drypning. Tandpastaen vil have en lavere viskositet på børsten før børstning, hvilket skulle gøre den lettere at fordele i munden og måske påvirke de sensoriske egenskaber. Det er dog vigtigt, at viskositeten ikke er så lav, at produktet kan flyde gennem børstehårene eller synke sammen på børsten.
Konklusion
En tretrins shear rate-test blev udført på en tandpasta og en bodylotion for at evaluere omfanget af viskositetsgenoprettelse efter ekstrudering fra henholdsvis en tube og en flaske. Tandpastaen viste sig at være meget tixotropisk, og det tog 6 minutter at genvinde 70 % af den oprindelige viskositet. Bodylotionen opnåede samme grad af gendannelse på kun 7 sekunder og kan betragtes som ikke-tixotropisk i sammenligning
1Bemærk 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.