Εισαγωγή
Πολλά καταναλωτικά προϊόντα συσκευάζονται σε σωλήνες ή φιάλες, όπου η εφαρμογή του προϊόντος περιλαμβάνει την άντληση του προϊόντος μέσω ενός ακροφυσίου. Τέτοια προϊόντα τείνουν να είναι προϊόντα αραιής διάτμησης, όπου το ιξώδες πέφτει κατά τη διαδικασία εξώθησης λόγω της αυξανόμενης ταχύτητας διάτμησης και στη συνέχεια επανέρχεται κατά την έξοδο από το ακροφύσιο καθώς η ταχύτητα διάτμησης μειώνεται. Ο ρυθμός διάτμησης που παρατηρείται κατά τη διαδικασία αυτή σχετίζεται με την ακτίνα r του στομίου και την ογκομετρική ροή Q με την ακόλουθη έκφραση:
Η παράμετρος n είναι ο δείκτης νόμου δύναμης, ο οποίος είναι ένα για ένα Νευτώνειο υγρό και μεταξύ 0-1 για ένα μη Νευτώνειο υγρό. Η τιμή αυτή μπορεί εύκολα να επιτευχθεί από μια δοκιμή μεταβλητού ρυθμού διάτμησης με την προσαρμογή ενός μοντέλου νόμου δύναμης στα προκύπτοντα δεδομένα.
Μετρώντας τον ογκομετρικό ρυθμό ροής (όγκος που διανέμεται σε δεδομένο χρόνο) και την εσωτερική ακτίνα του στομίου, είναι δυνατόν να εκτιμηθεί ο ρυθμός διάτμησης που συναντάται κατά τη διαδικασία εξώθησης. Η τιμή αυτή μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί σε μια δοκιμή βρόχου διάτμησης, η οποία αυξάνει το ρυθμό διάτμησης από μια χαμηλή τιμή (πριν από την εξώθηση) στο ρυθμό διάτμησης που μας ενδιαφέρει και πάλι προς τα κάτω. Μια τέτοια δοκιμή επιτρέπει τον προσδιορισμό της τάσης που απαιτείται για την εξώθηση, τον ψεκασμό ή την έκχυση του προϊόντος και την έκταση της ανάκτησης του ιξώδους μετά από αυτή τη διαδικασία, η οποία θα καθορίσει τελικά το πάχος του προϊόντος κατά τη χρήση. Αυτό μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με τη μέτρηση της κλειστής περιοχής μεταξύ των ανοδικών και καθοδικών καμπυλών.
Πειραματικό
- Οι ιδιότητες εξώθησης οδοντόκρεμας και λοσιόν σώματος αξιολογήθηκαν και συγκρίθηκαν υπό συνθήκες σχετικές με τη διαδικασία.
- Οι μετρήσεις με περιστροφικό ρεόμετρο πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ενός περιστροφικού ρεομέτρου Kinexus με φυσίγγιο πλάκας Peltier και σύστημα μέτρησης με τραχιά παράλληλη πλάκα1 και με τη χρήση τυποποιημένων προκαθορισμένων ακολουθιών στο λογισμικό rSpace.
- Χρησιμοποιήθηκε μια τυποποιημένη ακολουθία φόρτωσης για να εξασφαλιστεί ότι το δείγμα υπόκειται σε ένα συνεπές και ελεγχόμενο πρωτόκολλο φόρτωσης.
- Όλες οι μετρήσεις ρεολογίας πραγματοποιήθηκαν στους 25°C.
- Οι σχετικοί ρυθμοί διάτμησης εξώθησης υπολογίστηκαν αυτόματα ως μέρος της ακολουθίας δοκιμής χρησιμοποιώντας τις εισαγόμενες τιμές του όγκου εξώθησης, του χρόνου εξώθησης και της ακτίνας ανοίγματος. Η δοκιμή προγραμματίστηκε ώστε να χρησιμοποιεί αυτή την υπολογισμένη τιμή ως μέγιστη ταχύτητα διάτμησης σε μια ράμπα ρυθμού διάτμησης "πάνω και μετά κάτω".
- Η μετρούμενη τάση στον υπολογισμένο ρυθμό διάτμησης και το εμβαδόν μεταξύ των καμπυλών "πάνω και κάτω" αναφέρθηκαν αμφότερα. Η πρώτη μεταφέρει την απαιτούμενη τάση για την εξώθηση και η δεύτερη την έκταση της αποκατάστασης του ιξώδους (θιξοτροπία) μετά την εξώθηση.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Ο αυτόματος υπολογιστής προσδιόρισε ότι ο ρυθμός διάτμησης ήταν περίπου 2000 s-1 για τη λοσιόν σώματος και, ως εκ τούτου, πραγματοποίησε αυτόματα μια ράμπα ρυθμού διάτμησης μεταξύ 0,1 s-1 και 2000 s-1 και πάλι πίσω. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στο Σχήμα 1 δείχνουν ότι το ιξώδες στον αντιπροσωπευτικό ρυθμό διάτμησης είναι 0,143 Pas και θα απαιτούσε μια εφαρμοζόμενη διατμητική τάση (που σχετίζεται με τη συμπίεση) 274 Pa για την εξώθηση του προϊόντος. Επιπλέον, η ανάλυση του εμβαδού δίνει μια τιμή μόλις 18, γεγονός που υποδηλώνει ότι το προϊόν θα ανακτούσε γρήγορα το ιξώδες του μετά την εξώθηση και επομένως είναι μη-θιξοτροπικό.
Για την οδοντόκρεμα που παρουσιάζεται στο Σχήμα 2, ο ρυθμός διάτμησης κατά την εξώθηση υπολογίστηκε σε περίπου 33 s-1. Το ιξώδες στον αντιπροσωπευτικό ρυθμό διάτμησης είναι 19,73 Pas και θα απαιτούσε μια εφαρμοζόμενη διατμητική τάση 643 Pa για την εξώθηση του προϊόντος. Το υλικό αυτό φαίνεται να είναι θιξοτροπικό, καθώς η περιοχή μεταξύ της άνω και της κάτω καμπύλης έχει πολύ υψηλότερη τιμή 775. Η ελαφρά αιχμή του ιξώδους που παρατηρείται στην αρχή της δοκιμής και για τα δύο δείγματα είναι αποτέλεσμα ελαστικής παραμόρφωσης κατά την εκκίνηση και αναμένεται να παρατηρηθεί και για τα δύο αυτά προϊόντα, καθώς και τα δύο έχουν όρια διαρροής [1].
Συμπεράσματα
Μια τιμή ρυθμού διάτμησης που σχετίζεται με την εξώθηση μιας κρέμας δέρματος από ένα μπουκάλι και μιας οδοντόκρεμας από ένα σωληνάριο υπολογίστηκε και εισήχθη αυτόματα σε μια δοκιμή ράμπας ρυθμού διάτμησης "πάνω και κάτω". Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι για την εκχύλιση της κρέμας δέρματος με τον επιθυμητό ρυθμό απαιτείται διατμητική τάση 274 Pa και 643 Pa για την οδοντόκρεμα. Ο προσδιορισμός του εμβαδού μεταξύ των καμπυλών προς τα πάνω και προς τα κάτω έδειξε ότι η λοσιόν σώματος ήταν μη τιξοτροπική ενώ η οδοντόκρεμα παρουσίασε τιξοτροπική συμπεριφορά.
Παρακαλώ σημειώστε...
ότι οι δοκιμές συνιστάται να διεξάγονται με γεωμετρία κώνου και πλάκας ή παράλληλης πλάκας - με την τελευταία να προτιμάται για διασπορές και γαλακτώματα με μεγέθη σωματιδίων large. Αυτοί οι τύποι υλικών μπορεί επίσης να απαιτούν τη χρήση οδοντωτών ή τραχιών γεωμετριών για την αποφυγή αντικειμένων που σχετίζονται με την ολίσθηση στην επιφάνεια της γεωμετρίας.