Εισαγωγή
Οι ρεολογικές ιδιότητες ενός προϊόντος μπορούν να επηρεάσουν τον τρόπο με τον οποίο το προϊόν γίνεται οπτικά και από άποψη υφής αντιληπτό από τον καταναλωτή και τον τρόπο με τον οποίο είναι πιθανό να συμπεριφερθεί κατά τη χρήση του προϊόντος. Για παράδειγμα, τα πολύ διατμητικά υλικά θα ανταποκρίνονται σε μεγάλο βαθμό στις μεταβολές της εφαρμοζόμενης τάσης, ενώ τα Νευτώνεια υλικά θα παρουσιάζουν πολύ μικρότερη εξάρτηση. Μια τέτοια απόκριση είναι σημαντική όταν εξετάζεται η ευκολία εξάπλωσης ή η "απλωσιμότητα".
Η διαδικασία της εξάπλωσης προκαλεί μια επακόλουθη μείωση του πάχους του στρώματος, καθώς αυτό κατανέμεται σε μια ευρύτερη επιφάνεια, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Δεδομένου ότι ο ρυθμός διάτμησης ισούται με την εφαρμοζόμενη ταχύτητα διαιρούμενη με το πάχος του στρώματος, η εξάπλωση δεν μπορεί επομένως να αποδοθεί σε έναν μόνο ρυθμό διάτμησης.
Ένας καλύτερος τρόπος αξιολόγησης της απλωσιμότητας είναι ο χαρακτηρισμός της μεταβολής του ιξώδους σε ένα εύρος ρυθμών διάτμησης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Η περιοχή ενδιαφέροντος είναι η περιοχή της διατμητικής αραίωσης ή του νόμου της δύναμης, καθώς αυτή περιγράφει πόσο εύκολα διασπάται η δομή του υλικού με την εφαρμοζόμενη διάτμηση. Η περιοχή αυτή εμφανίζεται γραμμική σε ένα διάγραμμα log-log του ιξώδους σε σχέση με τον ρυθμό διάτμησης με σταθερή κλίση, αλλά παρουσιάζει εξάρτηση από τον νόμο ισχύος όταν απεικονίζεται σε γραμμική κλίμακα.
Μαθηματικά, αυτή η περιοχή της καμπύλης ροής μπορεί να περιγραφεί με τη χρήση του νόμου ισχύος ή του μοντέλου Ostwald de Waele που δίνεται από την εξίσωση 1.
𝜎 = 𝑘𝛾̇𝑛
k είναι η συνοχή
n είναι ο δείκτης νόμου δύναμης
σ είναι η διατμητική τάση
𝛾̇ είναι ο ρυθμός διάτμησης
Η συνεκτικότητα έχει τις μονάδες Pasn αλλά είναι αριθμητικά ίση με το ιξώδες που μετράται σε 1s-1. Ο δείκτης νόμου δύναμης κυμαίνεται από 0 για υλικά με μεγάλη διατμητική αραίωση έως 1 για νευτώνεια υλικά. Όσο χαμηλότερη είναι η απαιτούμενη εισροή τάσης, τόσο ευκολότερη πρέπει να είναι η εξάπλωση του υλικού. Μια χαμηλότερη τιμή του k σημαίνει χαμηλότερο ιξώδες και συνεπώς χαμηλότερη εισροή τάσης, ενώ μια χαμηλότερη τιμή του n υποδηλώνει μεγαλύτερη διατμητική αραίωση, η οποία μεταφράζεται σε αύξηση της τάσης smaller με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης.
Οι πληροφορίες αυτές μπορούν να αναπαρασταθούν σε ένα διάγραμμα παρόμοιο με αυτό που φαίνεται στο Σχήμα 3. Υλικά με χαμηλές τιμές k ή/και χαμηλές τιμές n θα πρέπει να είναι ευκολότερο να απλωθούν.
Πειραματικό
- Η απλωσιμότητα ενός αριθμού καταναλωτικών προϊόντων αξιολογήθηκε με την εκτέλεση δοκιμής ράμπας διάτμησης και την ανάλυση της προκύπτουσας καμπύλης με τη χρήση ενός μοντέλου νόμου δύναμης.
- 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 και τα δύο δείγματα υποβλήθηκαν σε ένα συνεπές και ελεγχόμενο πρωτόκολλο φόρτωσης.
- Όλες οι μετρήσεις ρεολογίας πραγματοποιήθηκαν στους 25°C.
- Δημιουργήθηκε καμπύλη ροής με τη χρήση δοκιμής ράμπας ρυθμού διάτμησης και προσαρμογή σε αυτή την καμπύλη ενός μοντέλου νόμου ισχύος.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 4 παρουσιάζεται η καμπύλη ιξώδους-ταχύτητας διάτμησης για ορισμένα εμπορικά προϊόντα και οι αντίστοιχες παράμετροι προσαρμογής τους, με γραφική παρουσίαση των τελευταίων στο Σχήμα 5.
Παρόλο που η οδοντόκρεμα και η κρέμα χεριών έχουν παρόμοιες τιμές k, η κρέμα χεριών έχει πολύ χαμηλότερη τιμή n, γεγονός που την καθιστά πιο λεπτόρρευστη και πιο εύκολη στην εξάπλωση. Αντίθετα, το σιρόπι και η σάλτσα σοκολάτας έχουν πολύ χαμηλότερες τιμές k, αλλά δεν αραιώνουν διατμητικά, επομένως φαίνονται παχύρρευστα και κολλώδη κατά την εφαρμογή. Η λοσιόν σώματος έχει τόσο μια σχετικά χαμηλή τιμή k όσο και n, γεγονός που την καθιστά πολύ πιο εύκολη στην εφαρμογή.
Για την ποσοτική σύγκριση της απαιτούμενης τάσης για την εξάπλωση μιας κρέμας χεριών και ενός σιροπιού, αντίστοιχα, σε ισοδύναμους ρυθμούς διάτμησης, οι τιμές των n και k μπορούν να αντικατασταθούν στην Εξίσωση 1. Θεωρώντας έναν ενιαίο ρυθμό διάτμησης 1s-1 που μπορεί να ισοδυναμεί με ένα παχύτερο στρώμα προϊόντος, η τάση που απαιτείται για τη διατήρηση της ροής σε αυτόν τον ρυθμό διάτμησης είναι 279 Pa για την κρέμα χεριών και 10 Pa για το σιρόπι (σ = k σε 1s-1). Σε ρυθμό διάτμησης 1000s-1, ο οποίος θα μπορούσε να αφορά ένα λεπτότερο στρώμα υλικού που προκύπτει από τη διαδικασία εξάπλωσης, η απαιτούμενη τάση αυξάνεται σε 734 Pa για την κρέμα χεριών και 10.000 Pa για το σιρόπι. Αυτό αναδεικνύει τη σημασία της μη-νευτωνιανής συμπεριφοράς στη διαδικασία εξάπλωσης.
Συμπέρασμα
Χρησιμοποιήθηκε μια δοκιμή ράμπας διάτμησης με προσαρμογή μοντέλου νόμου δύναμης για να χαρακτηριστεί η απλωσιμότητα διαφόρων εμπορικών προϊόντων χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους προσαρμογής νόμου δύναμης k και n. Χαμηλές τιμές των k και n υποδηλώνουν χαμηλότερο ιξώδες και μεγαλύτερο βαθμό διατμητικής αραίωσης, αντίστοιχα, οι οποίες θα συμβάλουν στην ευκολότερη εξάπλωση.
1Παρακαλείστενα σημειώσετε 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.