Συμβουλές & κόλπα
Ρεολογία για αρχάριους - Προσδιορισμός του ιξώδους μιας κρέμας χεριών
Οι ρεολογικές ιδιότητες μιας κρέμας ή λοσιόν συνδέονται στενά με τις διαφορετικές προσδοκίες των χρηστών:
- Η ικανότητά του να παραμένει στο σωληνάριο όσο δεν συμπιέζεται
- Η ικανότητά του να παραμένει στο σημείο που διανέμεται μέχρι να τριφτεί
- Η καλή ροή του κατά την τριβή.
Στη συνέχεια, θα δείξουμε πώς οι μετρήσεις με το ρεόμετρο περιστροφής Kinexus παρέχουν πληροφορίες σχετικά με αυτή την επιθυμητή συμπεριφορά μιας κρέμας χεριών.
Γενικές πληροφορίες
Ένα περιστροφικό ρεόμετρο αποτελείται συνήθως από δύο παράλληλες πλάκες, μεταξύ των οποίων φορτώνεται το δείγμα. Η άνω πλάκα περιστρέφεται, παρασύροντας το δείγμα. Η κάτω πλάκα παραμένει σταθερή. Το Kinexus χρησιμοποιείται συνήθως για τη διενέργεια δύο τύπων μετρήσεων:
Ιξωδομετρία:
Η άνω πλάκα περιστρέφεται με καθορισμένο ρυθμό διάτμησης που ελέγχεται από το διάκενο και την ταχύτητα περιστροφής. Ως αποτέλεσμα, καταγράφουμε το ιξώδες, η, του δείγματος, δηλαδή την αντίστασή του στη ροή.
Ταλάντωση:
Η άνω πλάκα ταλαντώνεται με καθορισμένο πλάτος και συχνότητα. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνουμε τις ιξωδοελαστικές ιδιότητες του δείγματος, που περιγράφονται από το μέτρο ελαστικής διάτμησης, G´, το μέτρο απώλειας, G", και τη γωνία φάσης, δ (για να αναφέρουμε μερικά).
Ιξωδομετρία - Πώς να ποσοτικοποιήσετε τη συμπεριφορά της κρέμας στο σωληνάριο, κατά τη διάρκεια της συμπίεσης από το σωληνάριο και κατά τη διάρκεια της επάλειψης στο χέρι
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται η καμπύλη ιξώδους μιας εμπορικής κρέμας χεριών ως συνάρτηση των εφαρμοζόμενων ρυθμών διάτμησης. Το υλικό παρουσιάζει διατμητική αραιωτική συμπεριφορά: το ιξώδες μειώνεται με την αύξηση των ρυθμών διάτμησης.
Οι χαμηλότεροι ρυθμοί διάτμησης αντικατοπτρίζουν τη συμπεριφορά της κρέμας σε συνθήκες σχεδόν ηρεμίας. Το υψηλότερο ιξώδες σε χαμηλούς ρυθμούς διάτμησης εξασφαλίζει δύο ιδιότητες του προϊόντος: Η κρέμα δεν βγαίνει από το σωληνάριο χωρίς πίεση από έξω (= συμπίεση του σωληναρίου). Επιπλέον, μετά τη διανομή της στο δέρμα, θα παραμείνει στο χέρι χωρίς να ρέει.
Μόλις ο χρήστης συμπιέσει το σωληνάριο, εφαρμόζονται υψηλότεροι ρυθμοί διάτμησης στην κρέμα. Σύμφωνα με την προκύπτουσα καμπύλη, αυτό οδηγεί σε μείωση του ιξώδους του προϊόντος, έτσι ώστε να ρέει εύκολα από το σωληνάριο. Οι υψηλότεροι ρυθμοί διάτμησης μιμούνται επίσης τη συμπεριφορά της κρέμας κατά την επάλειψη στο δέρμα. Η διαδικασία αυτή γίνεται ευκολότερη χάρη στο χαμηλότερο ιξώδες, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα μια πιο απαλή αίσθηση στο δέρμα. Σε αυτό το πλαίσιο, ένας σημαντικός όρος είναι το όριο διαρροής, δηλαδή η ελάχιστη τάση που πρέπει να εφαρμοστεί σε ένα υλικό για να προκληθεί η ροή του.
Το Σχήμα 2 παρουσιάζει τη μέτρηση της τάσης διαρροής στην κρέμα χεριών. Στην περιοχή των χαμηλότερων διατμητικών τάσεων, βλέπουμε μια εμφανή αύξηση του ιξώδους που προέρχεται από τη δομή του δείγματος που τεντώνεται πριν από την υποχώρηση. Η κρέμα χεριών αρχίζει να ρέει μετά την κορύφωση του ιξώδους (βλέπε κόκκινο βέλος). Για αυτό το παράδειγμα, υπάρχει μια άλλη μετάβαση σε υψηλότερες τάσεις, από το σημείο αυτό το ιξώδες μειώνεται έντονα και είναι ελεύθερα ρέον. Το λογισμικό υπολογίζει αυτόματα την τιμή της τάσης διαρροής: η κρέμα θα αρχίσει να ρέει από μια διατμητική τάση 11,7 Pa.
Ταλάντωση - Ένα υλικό, διαφορετικές συμπεριφορές ... Ανάλογα με τη χρονική κλίμακα της διαδικασίας
Σάρωση πλάτους
Σε μια μέτρηση ταλάντωσης, το δείγμα πρέπει να βρίσκεται στη λεγόμενη γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER), στην οποία η εφαρμοζόμενη παραμόρφωση ή τάση δεν οδηγεί σε θραύση της σχετικής δομής του δείγματος. Επομένως, σε πρώτο στάδιο πραγματοποιείται στο υλικό δοκιμή ταλάντωσης με καθορισμένη συχνότητα και μεταβαλλόμενο πλάτος παραμόρφωσης. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνεται το μέγιστο πλάτος που επιτρέπει μια μη καταστροφική δοκιμή - το όριο τάσης ή παραμόρφωσης του Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER.
Στο σχήμα 3 απεικονίζονται οι καμπύλες του μέτρου ελαστικότητας, G', και του μέτρου ιξώδους, G", κατά τη διάρκεια της σάρωσης πλάτους. Το μέτρο ελαστικότητας παραμένει σταθερό μέχρι 0,2%. Αυτό σημαίνει ότι για παραμορφώσεις μικρότερες από 0,2%, η ουσία βρίσκεται στο Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER.
Σάρωση συχνότητας
Στην επόμενη μέτρηση, το πλάτος ρυθμίζεται στο 0,1%, ενώ η συχνότητα μεταβάλλεται για να διερευνηθεί η απόκριση του υλικού σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες. Τα αποτελέσματα απεικονίζονται στο σχήμα 4.
Σε όλο το μετρούμενο εύρος συχνοτήτων, οι τιμές G´ είναι larger από τις τιμές G": οι ελαστικές ιδιότητες της κρέμας είναι πιο κυρίαρχες από τις ιξώδεις ιδιότητές της. Η κρέμα δεν ρέει, αλλά συμπεριφέρεται σαν στερεό. Αυτό μπορεί επίσης να φανεί στη γωνία φάσης, η οποία είναι μια κλίμακα ρευστότητας του δείγματος, από το μηδέν που είναι εντελώς στερεό έως 90° που δείχνει τέλεια συμπεριφορά σαν υγρό. Το Σχήμα 4 δείχνει ότι το δείγμα αυτό παραμένει περισσότερο στερεό (δηλ. γωνία φάσης <45°) σε όλο το φάσμα των συχνοτήτων που εξετάστηκαν, δηλαδή δεν ρέει
Συμπέρασμα
Ένας καταναλωτής αναμένει από την κρέμα χεριών του σχεδόν αντιφατική συμπεριφορά: Θα πρέπει να συμπεριφέρεται σαν στερεό, ώστε να εμποδίζεται να τρέξει από το σωληνάριο πριν το πιέσει ο χρήστης, και να μην ρέει από το χέρι του χρήστη αφού διανεμηθεί. Ωστόσο, θα πρέπει επίσης να συμπεριφέρεται σαν υγρό κατά την επάλειψη στο δέρμα, ρέοντας ελεύθερα. Οι μετρήσεις ρεολογίας μιμούνται αυτά τα διαφορετικά σενάρια παραμόρφωσης και μη παραμόρφωσης. Το ιξώδες της κρέμας μειώνεται με την αύξηση των ρυθμών διάτμησης: κατά τη διάρκεια της συμπίεσης του σωληναρίου ή της τριβής της κρέμας στο δέρμα, η κρέμα έχει "χαμηλότερο ιξώδες" από ό,τι σε κατάσταση ηρεμίας - όπως ακριβώς περιμένει ο χρήστης.