Introducción
Muchos productos de consumo se envasan en tubos o botellas en los que la aplicación del producto implica bombearlo a través de una boquilla. Tales productos tienden a ser productos de cizallamiento-adelgazamiento en los que la viscosidad disminuye durante el proceso de extrusión debido al aumento de la velocidad de cizallamiento, y luego se recupera al salir de la boquilla a medida que se reduce la velocidad de cizallamiento. La velocidad de cizallamiento encontrada durante este proceso está relacionada con el radio, r del orificio y el caudal volumétrico Q mediante la siguiente expresión:
El parámetro n es el índice de ley de potencia, que es uno para un líquido newtoniano y entre 0 y 1 para un fluido No newtonianoUn fluido no newtoniano es aquel que presenta una viscosidad que varía en función de la velocidad de cizallamiento o de la tensión de cizallamiento aplicada.no newtoniano. Este valor puede obtenerse fácilmente a partir de una prueba de velocidad de cizallamiento variable ajustando un Modelo de ley de potenciaEl modelo de ley de potencia es un modelo reológico común para cuantificar (típicamente) la naturaleza de adelgazamiento por cizallamiento de una muestra, en el que el valor más cercano a cero indica un material con mayor adelgazamiento por cizallamiento.modelo de ley de potencia a los datos resultantes.
Midiendo el caudal volumétrico (volumen dispensado en un tiempo determinado) y el radio interno del orificio, es posible estimar la velocidad de cizallamiento encontrada durante el proceso de extrusión. Este valor puede utilizarse en una prueba de bucle de velocidad de cizallamiento, en la que la velocidad de cizallamiento pasa de un valor bajo (antes de la extrusión) a la velocidad de cizallamiento de interés y vuelve a descender. Esta prueba permite determinar la tensión necesaria para extruir, pulverizar o verter el producto, y el grado de recuperación de la viscosidad tras este proceso, que determinará en última instancia el espesor del producto utilizado. Esto puede cuantificarse midiendo el área encerrada entre las curvas ascendente y descendente.
Experimental
- Se evaluaron y compararon las propiedades de extrusión de una pasta dentífrica y una loción corporal en condiciones relevantes para el proceso.
- Las mediciones del reómetro rotacional se realizaron utilizando un reómetro rotacional Kinexus con un cartucho de placa Peltier y un sistema de medición de placa paralela rugosa1, y utilizando secuencias estándar preconfiguradas en el software rSpace.
- Se utilizó una secuencia de carga estándar para garantizar que la muestra se sometía a un protocolo de carga coherente y controlable.
- Todas las mediciones reológicas se realizaron a 25°C.
- Las velocidades de cizallamiento de extrusión pertinentes se calcularon automáticamente como parte de la secuencia de prueba utilizando los valores introducidos de volumen extruido, tiempo de extrusión y radio de apertura. La prueba se programó para utilizar este valor calculado como la velocidad de cizallamiento máxima en una rampa de velocidad de cizallamiento "ascendente y descendente".
- La tensión medida a la velocidad de cizallamiento calculada y el área entre las curvas "ascendente y descendente" se registraron. La primera indica el esfuerzo necesario para la extrusión y la segunda el grado de recuperación de la viscosidad (TixotropíaPara la mayoría de los líquidos, el adelgazamiento por cizallamiento es reversible y los líquidos recuperan en algún momento su viscosidad original cuando se elimina una fuerza de cizallamiento.tixotropía) tras la extrusión.
Resultados y debate
El calculador automático determinó que la velocidad de cizallamiento era de aproximadamente 2000 s-1 para la loción corporal y, por tanto, realizó automáticamente una rampa de velocidad de cizallamiento entre 0,1 s-1 y 2000 s-1 y viceversa. Los resultados mostrados en la figura 1 muestran que la viscosidad a la velocidad de cizallamiento representativa es de 0,143 Pas y requeriría una tensión de cizallamiento aplicada (asociada a la compresión) de 274 Pa para extruir el producto. Además, el análisis de área arroja un valor de sólo 18, lo que sugiere que el producto recuperaría su viscosidad rápidamente tras la extrusión y que, por tanto, no es tixotrópico.
En el caso de la pasta de dientes de la figura 2, se calculó que la velocidad de cizalladura de extrusión era de aproximadamente 33 s-1. La viscosidad a la velocidad de cizallamiento representativa es de 19,73 Pas y se necesitaría una tensión de cizallamiento aplicada de 643 Pa para extruir el producto. Este material parece ser tixotrópico, ya que el área entre las curvas superior e inferior tiene un valor mucho mayor de 775. El ligero pico de viscosidad observado al inicio de la prueba en ambas muestras es el resultado de la deformación elástica en el arranque y se esperaría que se observara en estos dos productos, ya que ambos tienen límites elásticos [1].
Conclusiones
Se calculó un valor de velocidad de cizallamiento relativo a la extrusión de una crema para la piel de un frasco y de pasta de dientes de un tubo y se introdujo automáticamente en una prueba de rampa de velocidad de cizallamiento "arriba y abajo". Los resultados mostraron que se necesitaría una tensión de cizallamiento de 274 Pa para dispensar la crema para la piel a la velocidad deseada y de 643 Pa para la pasta de dientes. La determinación del área entre las curvas ascendente y descendente mostró que la loción corporal no era tixotrópica, mientras que la pasta de dientes mostraba un comportamiento tixotrópico.
Tenga en cuenta...
que se recomienda realizar los ensayos con geometría de cono y placa o de placa paralela, siendo preferible esta última para dispersiones y emulsiones con tamaños de partícula large. Estos tipos de materiales también pueden requerir el uso de geometrías dentadas o rugosas para evitar artefactos relacionados con el deslizamiento en la superficie de la geometría.