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 στόμιο 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 1 για ένα Νευτώνειο υγρό και μεταξύ 0 και 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 να εισαχθεί σε μια δοκιμή βηματικού ρυθμού διάτμησης (Σχήμα 1), η οποία κόβει το δείγμα σε χαμηλό ρυθμό διάτμησης για δεδομένο χρονικό διάστημα (πριν από την εξώθηση) πριν αυξηθεί στον ρυθμό διάτμησης που μας ενδιαφέρει. Στη συνέχεια παρακολουθείται η αποκατάσταση του ιξώδους καθώς ο ρυθμός διάτμησης μειώνεται στην αρχική του τιμή. Η δοκιμή αυτή δείχνει πόσο γρήγορα το δείγμα ανακτά το ιξώδες του μετά τη διαδικασία εξώθησης και υποδεικνύει το πάχος ή το ιξώδες του προϊόντος κατά τη στιγμή της χρήσης.
Οι θιξοτροπικές ιδιότητες μπορούν να ποσοτικοποιηθούν με τη μέτρηση του τελικού ιξώδους στο τέλος του πρώτου σταδίου και του χρόνου που απαιτείται για την ανάκτηση ενός καθορισμένου ποσοστού αυτού του ιξώδους κατά τη διάρκεια του τελικού σταδίου της δοκιμής. Η τιμή αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύγκριση μεταξύ προϊόντων ή σκευασμάτων και είναι εφαρμόσιμη σε ένα ευρύ φάσμα βιομηχανιών και εφαρμογών.
Πειραματικό
- Οι ιδιότητες ανάκτησης του ιξώδους μιας οδοντόκρεμας και μιας λοσιόν σώματος αξιολογήθηκαν σε συνθήκες ταχύτητας διάτμησης που σχετίζονται με την εξώθηση του προϊόντος κατά τη χρήση.
- 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.
- 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 ενδιάμεσο ρυθμό διάτμησης σε μια δοκιμή με βήμα διάτμησης με βήμα 1 και βήμα 2 που χρησιμοποιεί σταθερό ρυθμό διάτμησης 0,1s-1.
- Ο χρόνος ανάκτησης του 90% του αρχικού ιξώδους του προϊόντος προσδιορίστηκε αυτόματα και αναφέρθηκε στο τέλος της δοκιμής.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Ο αυτόματος υπολογιστής εκτίμησε ότι ο ρυθμός διάτμησης για την εξώθηση για την παράδοση του προϊόντος είναι 34 s-1 για την οδοντόκρεμα και 840 s-1 για τη λοσιόν σώματος. Οι τιμές αυτές χρησιμοποιήθηκαν στο ενδιάμεσο στάδιο της δοκιμής.
Στο σχήμα 2 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για την οδοντόκρεμα. Είναι σαφές ότι πρόκειται για ένα ιδιαίτερα θιξοτροπικό υλικό, δεδομένου ότι δεν ανακτά πλήρως τη δομή του στη χρονική κλίμακα της δοκιμής, φθάνοντας μόνο στο 70% του αρχικού του ιξώδους και απαιτώντας περίπου 6 λεπτά για να επιτύχει αυτό το επίπεδο ανάκτησης.
αντίθετα, η λοσιόν σώματος που παρουσιάζεται στο Σχήμα 3 ανακτά σχεδόν όλο το αρχικό της ιξώδες και χρειάζεται μόνο 7 δευτερόλεπτα για να επιτύχει το ίδιο ποσοστό ανάκτησης με την οδοντόκρεμα και 23 δευτερόλεπτα για να επιτύχει το 90% της ανάκτησης. Το υλικό αυτό θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως ουσιαστικά μη-θιξοτροπικό σε σύγκριση.
Από την άποψη των καταναλωτών, αυτό θα σήμαινε ότι η λοσιόν σώματος θα αναδομηθεί πολύ γρήγορα μετά την επαφή της με το δέρμα, γεγονός που μπορεί να αποτρέψει την υπερβολική εξάπλωση ή την πιθανή σταγονορροή. Η οδοντόκρεμα θα έχει χαμηλότερο ιξώδες στη βούρτσα πριν από το βούρτσισμα, γεγονός που θα διευκολύνει τη διανομή της στο στόμα και ίσως επηρεάσει τις αισθητηριακές ιδιότητες. Είναι σημαντικό, ωστόσο, το ιξώδες να μην είναι τόσο χαμηλό ώστε το προϊόν να μπορεί να ρέει μέσα από τις τρίχες ή να κρεμάει στη βούρτσα.
Συμπέρασμα
Πραγματοποιήθηκε δοκιμή ταχύτητας διάτμησης τριών βημάτων σε οδοντόκρεμα και λοσιόν σώματος για να αξιολογηθεί ο βαθμός ανάκτησης του ιξώδους μετά την εξώθηση από σωληνάριο και φιάλη αντίστοιχα. Η οδοντόκρεμα αποδείχθηκε ιδιαίτερα θιξοτροπική και χρειάστηκε 6 λεπτά για να ανακτήσει το 70% του αρχικού της ιξώδους. Η λοσιόν σώματος πέτυχε τον ίδιο βαθμό ανάκτησης σε μόλις 7 δευτερόλεπτα και μπορεί να θεωρηθεί μη θιξοτροπική συγκριτικά
1Παρακαλώσημειώστε...
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.