Tips og tricks
Reologi for begyndere - Bestemmelse af viskositeten i en håndcreme
De reologiske egenskaber ved en creme eller lotion er tæt forbundet med forskellige brugerforventninger:
- Dens evne til at blive i tuben, så længe den ikke presses sammen
- Dens evne til at blive, hvor den er doseret, indtil den bliver gnedet
- Dens gode flydeevne under gnidning.
I det følgende vil vi vise, hvordan målinger med Kinexus' rotationsreometer giver oplysninger om den ønskede adfærd hos en håndcreme.
Generel information
Et rotationsreometer består typisk af to parallelle plader, som prøven lægges imellem. Den øverste plade roterer og trækker prøven med sig. Den nederste plade forbliver fast. Kinexus bruges typisk til at udføre to typer målinger:
Viskosimetri:
Den øverste plade drejer med en defineret forskydningshastighed, der styres af afstanden og rotationshastigheden. Resultatet er, at vi registrerer prøvens viskositet, η, dvs. dens modstand mod flow.
Oscillation:
Den øverste plade oscillerer med en defineret amplitude og frekvens. Som resultat får vi prøvens viskoelastiske egenskaber, der beskrives af det elastiske forskydningsmodul, G´, tabsmodulet, G", og fasevinklen, δ (for at nævne nogle få).
Viskosimetri - Hvordan man kvantificerer cremens opførsel i tuben, når den presses ud af tuben og smøres på hånden
Figur 1 viser viskositetskurven for en kommerciel håndcreme som en funktion af de anvendte forskydningshastigheder. Materialet viser en forskydningsfortyndende adfærd: Viskositeten falder med stigende forskydningshastigheder.
De lavere forskydningshastigheder afspejler cremens opførsel ved næsten hviletilstand. Den højere viskositet ved lave forskydningshastigheder sikrer to egenskaber ved produktet: Cremen kommer ikke ud af tuben uden 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 udefra (= klemning af tuben). Desuden forbliver den i hånden uden at flyde væk, når den er fordelt på huden.
Så snart brugeren klemmer på tuben, påføres cremen højere forskydningshastigheder. Ifølge den resulterende kurve fører dette til et fald i produktets viskositet, så det flyder let ud af tuben. De højere forskydningshastigheder efterligner også cremens opførsel, når den spredes på huden. Denne proces bliver lettere takket være den lavere viskositet, som resulterer i en glattere fornemmelse på huden. I denne sammenhæng er et vigtigt begreb flydespændingen, dvs. den mindste spænding, der skal påføres et materiale for at få det til at flyde.
Figur 2 viser målingen af flydespændingen på håndcremen. I det lavere forskydningsspændingsområde ser vi en tydelig stigning i viskositeten, som skyldes, at prøvestrukturen strækker sig, før den giver efter. Håndcremen begynder at flyde efter toppen af viskositeten (se den røde pil). I dette eksempel er der endnu en overgang ved højere 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, hvorfra viskositeten falder kraftigt og er fritflydende. Softwaren beregner automatisk flydespændingsværdien: Cremen ville begynde at flyde fra en forskydningsspænding på 11,7 Pa.
Oscillation - ét materiale, forskellig adfærd ... Afhængigt af processens tidsskala
Amplitude-sweep
I en oscillationsmåling skal prøven befinde sig i det såkaldte lineære viskoelastiske område (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), hvor den påførte 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 eller 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 ikke fører til brud på prøvens tilhørende struktur. Derfor udføres en oscillationstest med en defineret frekvens og en varierende deformationsamplitude på materialet i et første trin. Som resultat opnås den maksimale amplitude, der muliggør en ikke-destruktiv test - 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's 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- eller strain-grænse.
Figur 3 viser kurverne for det elastiske modul, G', og det viskøse modul, G", under amplitudesweepet. Det elastiske modul forbliver konstant op til 0,2 %. Det betyder, at ved deformationer på mindre end 0,2 % er stoffet i 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.
Frekvenssweep
I den næste måling sættes amplituden til 0,1 %, mens frekvensen varieres for at undersøge materialets respons over forskellige tidsskalaer. Resultaterne er vist i figur 4.
Over hele det målte frekvensområde er G´-værdierne større end G"-værdierne: Cremens elastiske egenskaber er mere dominerende end dens viskøse egenskaber. Cremen flyder ikke, men opfører sig som et fast stof. Dette kan også ses i fasevinklen, som er en skala for prøvens flydeevne, fra nul, der er helt faststoflignende, til 90°, der indikerer perfekt væskelignende opførsel. Figur 4 viser, at denne prøve forbliver mere faststoflignende (dvs. fasevinkel <45°) over hele det testede frekvensområde, dvs. at den ikke flyder
Konklusion
En forbruger forventer næsten selvmodsigende adfærd af sin håndcreme: Den skal opføre sig som et fast stof for at forhindre, at den løber ud af tuben, før brugeren klemmer på den, og ikke flyder ud af brugerens hånd, når den er doseret. Men den skal også opføre sig som en væske, når den spredes på huden, ved at flyde frit. Reologimålingerne efterligner disse forskellige scenarier med deformation og ingen deformation. Cremens viskositet falder med stigende forskydningshastigheder: Når man klemmer på tuben eller gnider cremen på huden, føles den "mindre viskøs" end i hvile - præcis som brugeren forventer.