Εισαγωγή
Η διαμόρφωση προϊόντων που να έχουν τόσο τα σωστά λειτουργικά όσο και αισθητηριακά χαρακτηριστικά μπορεί να είναι ένα δύσκολο έργο. Ειδικά το τελευταίο εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ανατροφοδότηση των χρηστών, η οποία μπορεί να απαιτεί σημαντικό χρόνο και προσπάθεια για να επιτευχθεί. Επιπλέον, δεν είναι πάντα εύκολο να ερμηνευθεί η εν λόγω ανατροφοδότηση στο πλαίσιο των ιδιοτήτων του υλικού και, ως εκ τούτου, των ρεολογικών δεδομένων.
Για να χρησιμοποιηθεί η ρεολογία ως εργαλείο για την αξιολόγηση της υφής του προϊόντος, είναι σημαντικό να γίνει κατανοητό ποιος τρόπος ρεολογικής δοκιμής μιμείται καλύτερα τη συγκεκριμένη εφαρμογή και επίσης ποιες είναι οι καταλληλότερες παράμετροι που πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε αυτή τη δοκιμή. Για παράδειγμα, η εφαρμογή και η τριβή της κρέμας δέρματος είναι μια διαδικασία υψηλού ρυθμού διάτμησης, η οποία αξιολογείται καλύτερα με τη χρήση δοκιμής σταθερής διάτμησης στον κατάλληλο ρυθμό διάτμησης. Αντίθετα με την υφή στο δοχείο, η υφή σχετίζεται με την υποκείμενη μικροδομή, η οποία αξιολογείται καλύτερα μέσω δοκιμών ταλάντωσης ή δοκιμών ερπυσμού.
Μια απλή δοκιμή για την αξιολόγηση της υφής του υλικού υπό παραμορφώσεις small είναι μια σάρωση πλάτους ταλάντωσης. Αυτό μπορεί να παρέχει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τη δυσκαμψία του δείγματος, την ελατότητα, τη δομική αντοχή και την παραμόρφωση. Η δυσκαμψία αντικατοπτρίζεται στο σύνθετο μέτρο G* με υψηλότερες τιμές να υποδηλώνουν μια πιο δύσκαμπτη δομή, ενώ η γωνία φάσης δ υποδηλώνει το βαθμό ελαστικότητας και συνεπώς την ελαστικότητα της δομής. Οι πληροφορίες αυτές μπορούν να παρουσιαστούν με τη χρήση ενός απλού διαγράμματος του G* σε σχέση με το δ, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.
Άλλες πληροφορίες που μπορούν να εξαχθούν από μια τέτοια δοκιμή είναι η τάση διαρροής και η παραμόρφωση διαρροής, οι οποίες σχετίζονται με τη δομική αντοχή και την έκταση της δομικής παραμόρφωσης, αντίστοιχα. Οι πληροφορίες αυτές μπορούν να ληφθούν από τη γραφική παράσταση της ελαστικής τάσης σ' (τάση που σχετίζεται με το μέτρο ελαστικότητας (ή αποθήκευσης) G') σε σχέση με την παραμόρφωση. Μια κορυφή στην ελαστική τάση υποδηλώνει το σημείο διαρροής και οι τιμές της τάσης και της παραμόρφωσης που μετρήθηκαν σε αυτό το σημείο την τάση διαρροής και την παραμόρφωση διαρροής, αντίστοιχα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.
Συνδυάζοντας όλες αυτές τις πληροφορίες, είναι δυνατόν να ληφθεί μια ένδειξη για το πώς ένα υλικό θα ανταποκριθεί σε διατμητικές παραμορφώσεις small πριν από την έναρξη της μακροσκοπικής ροής.
Αυτό μπορεί να είναι χρήσιμο για τη συγκριτική αξιολόγηση των προϊόντων ή για να βοηθήσει στη διαμόρφωση συγκεκριμένων αισθητηριακών ιδιοτήτων ή λειτουργικών πλεονεκτημάτων σε ένα προϊόν.
Πειραματικό
- Έχουν αξιολογηθεί διάφορα προϊόντα για να διαπιστωθούν οι διαφορές μεταξύ τους όσον αφορά τα χαρακτηριστικά της υφής τους.
- Οι μετρήσεις με περιστροφικό ρεόμετρο πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ρεομέτρου Kinexus με φυσίγγιο πλάκας Peltier και σύστημα μέτρησης με τραχείες παράλληλες πλάκες 40 mm (για να αποφευχθεί η ολίσθηση του δείγματος στις επιφάνειες γεωμετρίας)2 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, εκτός αν αναφέρεται.
- Η μέτρηση περιελάμβανε την εκτέλεση μιας σάρωσης ελεγχόμενου πλάτους πέραν της τάσης διαρροής του υλικού και την αυτόματη ανάλυση των δεδομένων για να δώσει μια τιμή των G* και δ εντός της γραμμικής περιοχής και μια τιμή για την τάση διαρροής και την τάση διαρροής με βάση την κορυφή της ελαστικής τάσης (σ').
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 3 συγκρίνεται μια σειρά διαφορετικών προϊόντων όσον αφορά τη σχετική τους δυσκαμψία και ελαστικότητα σε συχνότητα 1 Hz. Από το διάγραμμα αυτό φαίνεται ότι τα περισσότερα δείγματα είναι κατά κύριο λόγο ελαστικά με γωνίες φάσης μικρότερες από 45º. Ωστόσο, τα δείγματα αυτά παρουσιάζουν διαφορετικούς βαθμούς ακαμψίας, με το βούτυρο σώματος για παράδειγμα να είναι 25 φορές πιο σκληρό (υψηλότερο μέτρο ελαστικότητας) από τη λοσιόν σώματος και την τσίχλα μαλλιών να είναι σχεδόν 100 φορές πιο σκληρή. Αντίθετα, η κρέμα ντους είναι κυρίως ρευστοειδής με γωνία φάσης κοντά στα 90º και σχετικά χαμηλή ακαμψία, με τιμή G* μόλις 23 Pa σε σύγκριση με περίπου 8000 Pa για το βούτυρο σώματος.
Η επίδραση της θερμοκρασίας στην υφή του βουτύρου είναι ιδιαίτερα σημαντική, με την κρυστάλλωση του λίπους σε χαμηλές θερμοκρασίες (ψυγείο) να σχηματίζει μια άκαμπτη και ιδιαίτερα ελαστική δομή, ενώ σε θερμοκρασία δωματίου, η τήξη αυτής της μήτρας λίπους οδηγεί σε μια πιο μαλακή και λιγότερο ελαστική δομή, πιο παρόμοια σε υφή με το προϊόν βούτυρο σώματος και την οδοντόκρεμα.
Στον πίνακα 1 παρουσιάζονται οι αντίστοιχες τιμές του ορίου διαρροής και της τάσης διαρροής για το εύρος των προϊόντων. Σημειώστε ότι η τάση διαρροής περιγράφει ουσιαστικά την τάση που απαιτείται για να ξεκινήσει η διάσπαση της δομής του δικτύου. Δεδομένου ότι τα ιξωδοελαστικά ρευστά (δ > 45º) δεν διαθέτουν δομή δικτύου, η τάση διαρροής σε αυτή την περίπτωση αφορά την τάση που απαιτείται για την έναρξη σημαντικής ροής (διατμητική αραίωση).
Πίνακας 1: Αποτελέσματα από την ανάλυση κορυφών των καμπυλών τάσης-παραμόρφωσης
| Δείγμα | Τάση διαρροής (Pa) | Παραμόρφωση ροής (%) |
|---|---|---|
| Μαγιονέζα | 11.26 | 1.79 |
| Οδοντόκρεμα | 1.86 | 0.057 |
| Βούτυρο σώματος | 15.87 | 0.81 |
| Λοσιόν σώματος | 2.24 | 2.63 |
| Κρέμα ντους | 10.18 | 27.22 |
| Τσίχλα για το styling των μαλλιών | 11.12 | 0.15 |
| Βούτυρο (5°C) | 34000 | 1.06 |
| Βούτυρο (25°C) | 1.12 | 0.096 |
Συγκρίνοντας το βούτυρο σώματος και τη λοσιόν σώματος, είναι σαφές ότι το πρώτο απαιτεί μεγαλύτερη πίεση για να διασπαστεί η δομή. Αυτό είναι εμφανές κατά τη χρήση του προϊόντος, με το βούτυρο σώματος να απαιτεί μεγαλύτερη δύναμη για να ξεκινήσει η ροή. Η λοσιόν σώματος έχει υψηλότερη τάση διαρροής και θα παραμορφωθεί περισσότερο πριν αραιώσει, γεγονός που υποδηλώνει μια πιο όλκιμη/λιγότερο εύθραυστη δομή. Η μαγιονέζα με κυρίαρχη την ελαστικότητα έχει τόσο υψηλή τάση διαρροής όσο και υψηλή παραμόρφωση διαρροής, γεγονός που αντανακλά την παρατηρούμενη "ελαστική υφή" της στο βάζο.
Αν και το πλύσιμο σώματος παρουσιάζει υψηλή κρίσιμη τάση και παραμόρφωση, σε αντίθεση με τη μαγιονέζα, δεν διαθέτει δομή δικτύου (δ > 45º). Αυτές οι κρίσιμες τιμές αφορούν επομένως την τάση και την παραμόρφωση που μπορεί να αντέξει το υλικό πριν ενισχυθεί σημαντικά η ροή. Αυτό μπορεί μερικές φορές να σχετίζεται με την έκταση του σχηματισμού ινών ή τη στράγγιση του προϊόντος.
Το βούτυρο σε θερμοκρασία ψυγείου έχει πολύ υψηλή τάση διαρροής και γι' αυτό μπορεί να είναι δύσκολο να απλωθεί- ωστόσο, στους 25ºC μπορεί να παρατηρηθεί σημαντική πτώση της τάσης διαρροής λόγω τήξης της κρυσταλλικής μήτρας του λίπους. Είναι ενδιαφέρον ότι το βούτυρο είναι πιο εύθραυστο σε αυτή την υψηλότερη θερμοκρασία, όπως υποδεικνύεται από την τάση διαρροής smaller.
Συμπέρασμα
Μια δοκιμή σάρωσης πλάτους μπορεί να παράσχει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την ιδιότητα υφής ενός υλικού, όπως η ακαμψία, η ελαστικότητα, η δομική αντοχή και η ευθραυστότητα. Με τη μέτρηση των παραμέτρων που σχετίζονται με αυτές τις ιδιότητες είναι δυνατόν να δημιουργηθεί μια εικόνα για το πώς ένα υλικό θα φαίνεται και θα συμπεριφέρεται σε παραμορφώσεις small. Μια τέτοια τεχνική είναι χρήσιμη για τον χαρακτηρισμό και τη σύγκριση των κατάλληλων υλικών.
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.