Evaluación de las características de dispersión del producto en un reómetro rotacional utilizando el modelo de la ley de potencia

Introducción

Las propiedades reológicas de un producto pueden influir en su percepción visual y textural por parte del consumidor y en su comportamiento durante el uso del producto. Por ejemplo, los materiales muy viscosos responderán muy bien a los cambios de la tensión aplicada, mientras que los materiales newtonianos mostrarán una dependencia mucho menor. Esta respuesta es importante a la hora de considerar la facilidad de extensión o "capacidad de extensión".

El proceso de extensión provoca la consiguiente reducción del grosor de la capa, ya que ésta se distribuye por una superficie más amplia, como se muestra en la Figura 1. Dado que la velocidad de cizallamiento es igual a la velocidad de propagación, el grosor de la capa se reduce. Dado que la velocidad de cizallamiento es igual a la velocidad aplicada dividida por el espesor de la capa, el esparcimiento no puede atribuirse a una única velocidad de cizallamiento.

Una forma mejor de evaluar la capacidad de dispersión es caracterizar el cambio de viscosidad en un intervalo de velocidades de cizallamiento, como se muestra en la Figura 2. La región de interés es la velocidad de cizallamiento de la capa. La región de interés es la de Adelgazamiento por cizallamientoEl tipo más común de comportamiento no newtoniano es el adelgazamiento por cizallamiento o flujo pseudoplástico, en el que la viscosidad del fluido disminuye al aumentar el cizallamiento.adelgazamiento por cizallamiento o ley de potencia, ya que describe la facilidad con la que la estructura del material se rompe con el cizallamiento aplicado. Esta región parece lineal en un gráfico logarítmico de la viscosidad frente a la velocidad de cizallamiento con un gradiente constante, pero muestra una dependencia de la ley de potencia cuando se representa en una escala lineal.

Gráfico que representa la disminución del grosor de la capa de producto a lo largo del tiempo, poniendo de relieve la dinámica de propagación en el análisis de materiales. — 1) Diagrama que indica cómo cambia el grosor de la capa de producto durante el extendido

Diagrama que ilustra la curva de flujo ideal con modelos de viscosidad: Cross/Carreau/Moore, ley de potencia y Sisko. — 2) Diagrama que muestra una curva de flujo ideal y los modelos pertinentes para describir su forma

Matemáticamente, esta región de la curva de flujo puede describirse utilizando la Ley de Potencia o el Modelo de Ostwald de Waele, dado por la Ecuación 1.

La imagen muestra una ecuación matemática, σ = kγ^n, que representa un modelo de flujo, probablemente relacionado con el comportamiento de materiales en física o ingeniería.

k es la consistencia
n es el índice de ley de potencia
σ es la velocidad de cizallamiento

La consistencia tiene las unidades de Pasn pero es numéricamente igual a la viscosidad medida a 1 ^s-1. El índice de la ley de potencia oscila entre 0 para los materiales muy diluidos por cizallamiento y 1 para los materiales newtonianos.

Cuanto menor sea la entrada de tensión requerida, más fácil será la dispersión del material. Un valor más bajo de k significa una viscosidad más baja y, por tanto, una menor entrada de tensión, mientras que un valor más bajo de n indica un mayor Adelgazamiento por cizallamientoEl tipo más común de comportamiento no newtoniano es el adelgazamiento por cizallamiento o flujo pseudoplástico, en el que la viscosidad del fluido disminuye al aumentar el cizallamiento.adelgazamiento por cizallamiento, lo que se traduce en un menor aumento de la tensión al aumentar la velocidad de cizallamiento.

Esta información puede representarse en un gráfico similar al de la figura 3. Los materiales con valores k bajos y/o valores n bajos deberían ser los más fáciles de extender.

Diagrama que ilustra la consistencia del producto basada en el adelgazamiento por cizallamiento, con diversos artículos como margarina, miel y loción corporal. — 3) Diagrama que muestra cómo pueden encajar diferentes productos en un gráfico de k frente a n

Experimental

La untabilidad de una serie de productos de consumo se evaluó realizando una prueba de rampa de velocidad de cizallamiento y analizando la curva resultante mediante 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.
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 ambas muestras se sometían a un protocolo de carga coherente y controlable.
Todas las mediciones reológicas se realizaron a 25°C.
La curva de flujo se generó utilizando una prueba de rampa de velocidad de cizallamiento y 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 ajustado a esta curva.

Resultados y debate

La figura 4 muestra la curva de viscosidad-velocidad de cizallamiento de varios productos comerciales y sus correspondientes parámetros de ajuste, con una presentación gráfica de estos últimos en la figura 5.

Aunque la pasta de dientes y la crema de manos tienen valores k similares, la crema de manos tiene un valor n mucho más bajo, lo que la hace más viscosa y fácil de extender. Por el contrario, el sirope y la salsa de chocolate tienen valores k mucho más bajos, pero no se diluyen por cizallamiento, por lo que parecen espesos y pegajosos durante la aplicación. La loción corporal tiene valores k y n relativamente bajos, lo que facilita su aplicación. Para comparar cuantitativamente el esfuerzo necesario para extender una crema de manos y un jarabe respectivamente a velocidades de cizallamiento equivalentes, los valores de n y k pueden sustituirse en la Ecuación 1. Considerando una velocidad de cizallamiento única de 1 ^s-1, que puede equivocarse con una capa de producto más gruesa, la tensión necesaria para mantener el flujo a esta velocidad de cizallamiento es de 279 Pa para la crema de manos y de 10 P a para el jarabe (σ = k a 1 ^s-1). A una velocidad de cizallamiento de 1.000 ^s-1, que correspondería a una capa de material más fina resultante del proceso de esparcimiento, la tensión requerida aumenta a 734 Pa para la crema de manos y a 10.000 Pa para el jarabe. Esto pone de manifiesto la importancia del comportamiento 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 en el proceso de extensión.

Las curvas de flujo muestran los datos de viscosidad de la crema de manos, la loción corporal, la pasta de dientes y el jarabe con los parámetros de ajuste del modelo. — 4) Curvas de flujo y parámetros de ajuste del modelo para varias muestras

Gráfico que muestra los parámetros de ajuste del modelo k y n para la crema de manos, la loción corporal, la pasta de dientes y el jarabe en un gráfico de análisis científico. — 5) Parámetros de ajuste del modelo k y n trazados uno frente al otro

Conclusión

Se utilizó una prueba de rampa de velocidad de cizallamiento con un ajuste de 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 para caracterizar la untabilidad de varios productos comerciales utilizando los parámetros de ajuste de ley de potencia k y n. Los valores bajos de k y n indican una viscosidad más baja y un mayor grado de Adelgazamiento por cizallamientoEl tipo más común de comportamiento no newtoniano es el adelgazamiento por cizallamiento o flujo pseudoplástico, en el que la viscosidad del fluido disminuye al aumentar el cizallamiento.adelgazamiento por cizallamiento, respectivamente, lo que contribuirá a facilitar la untabilidad.

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.