Introducción
Las propiedades reológicas de un material pueden influir en su percepción visual y textural y en su comportamiento durante el procesado. Por ejemplo, los materiales que se diluyen mucho por cizallamiento responderán en gran medida a los cambios de la tensión aplicada, mientras que los materiales newtonianos* mostrarán una dependencia mucho menor. Dado que la mayoría de los productos de interés tienden a ser materiales con 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, es importante poder cuantificar este comportamiento. Esto puede hacerse evaluando la región de la ley de potencia de una curva de flujo, como se muestra en la Figura 1. Esta región parece lineal en un logaritmo. Esta región parece lineal en un gráfico logarítmico de viscosidad frente a velocidad de cizallamiento con un gradiente constante observado, pero muestra dependencia de la ley de potencia cuando se representa en una escala lineal.
Matemáticamente, esta región de la curva de flujo puede describirse utilizando la Ley de Potencia o el Modelo de Ostwald de Waele que se da en la Ecuación 1:
k es la consistencia, n es el índice de ley de potencia, σ es la velocidad de cizallamiento, -γ es la velocidad de cizallamiento.
La consistencia tiene las unidades de Pasn pero es numéricamente igual a la viscosidad medida a 1s-1. El índice de ley de potencias oscila entre 0 para materiales muy diluyentes al cizallamiento y 1 para materiales newtonianos.
Una vez conocidos estos parámetros, la ecuación puede utilizarse para estimar la viscosidad a cualquier valor de velocidad de cizallamiento dentro de la región 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; sin embargo, es importante no utilizar la ecuación fuera del intervalo de velocidad de cizallamiento medido, ya que puede existir una región newtoniana a ambos lados de la región de medición, dependiendo del material sometido a ensayo.
Experimental
- El comportamiento 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 de una loción cutánea se evaluó realizando un ensayo de tabla de velocidad de cizallamiento y analizando la curva resultante mediante el ajuste de un modelo de ley de potencias.
- Las mediciones del reómetro rotacional se realizaron utilizando el 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 tabla de equilibrio de pruebas de velocidad de cizallamiento entre 0,1 y 100 s-1 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 una porción seleccionada manualmente de esta curva.
*Los fluidos newtonianos deben su nombre a Sir Issac Newton (1642 - 1726), quien describió el comportamiento de flujo de los fluidos con una simple relación lineal entre la tensión de cizallamiento [mPa] y la velocidad de cizallamiento [1/s]. Esta relación se conoce actualmente como la Ley de Viscosidad de Newton.
Resultados y debate
Figure 2 shows the viscosity-shear rate curve for the skin lotion. Clearly this product shows shear thinning behavior, evidenced by the rapid drop in viscosity with increasing shear rate. Although there is some slight curvature at higher shear rates, the data appears relatively straight on a double-logarithmic plot at lower shear rates.
Debido a la ligera curvatura por encima de aproximadamente 10 s-1, sólo se han incluido en el análisis los datos entre 0,1 y 10 s-1, ya que los datos parecen más lineales en esta región (cuando se representan logarítmicamente). Las curvas del modelo ajustado y de los datos originales se muestran gráficamente en la Figura 3 y los parámetros de ajuste y el coeficiente de correlación se indican en la Tabla 1.
Cuadro 1: Datos de los parámetros de ajuste del modelo
| Descripción de la muestra | Nombre del experimento | Nombre de la acción | k1 | η | Chi cuadrado | Coeficiente de correlación |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Loción cutánea | Análisis_0004-1 | Ajuste del 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 | 11.71 | 0.1735 | 617.2 | 0.9908 |
Teniendo en cuenta que n = 1 para los materiales newtonianos y n = 0 para la mayoría de los materiales no newtonianos, se puede establecer que este material presenta un alto 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. Este índice 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 también se puede utilizar para comparar entre diferentes productos con fines de evaluación comparativa o para predecir el comportamiento en un proceso o aplicación relevante, ya que este valor se requiere a menudo en muchos modelos que describen el comportamiento del flujo en líquidos no newtonianos. En general, cuanto menor sea el valor de n, más fácilmente se descompondrá bajo la aplicación del cizallamiento. La consistencia k es numéricamente igual a la viscosidad a 1 s-1 y tiene un valor de 11,71 para esta muestra en particular. Puede ser útil como medida general de la viscosidad con fines comparativos.
El coeficiente de correlación es una buena medida de lo bien que el modelo se ajusta a los datos, siendo preferible un valor lo más cercano posible a la unidad. Para esta muestra en particular, el valor real es 0,988, lo que indica una buena correlación entre los datos medidos y los predichos.
La figura 4 muestra datos similares de otros productos de consumo habituales y sus correspondientes parámetros de ajuste.
Una vez determinados k y n, es posible utilizar estos valores para predecir la viscosidad a cualquier velocidad de cizallamiento mediante la ecuación de la ley de potencias. Esto puede resultar útil para seleccionar el envasado óptimo, reformular un producto para satisfacer requisitos específicos o determinar cómo se comportará el producto durante la fabricación o en la línea de envasado. Sin embargo, este modelo sólo debe utilizarse para predecir el comportamiento dentro de la región en la que se observa el comportamiento de la ley de potencias, ya que no describe la curvatura que puede observarse a velocidades de cizallamiento mayores o menores. Para describir el comportamiento fuera de esta región, los modelos de Sisko o Cross pueden ser más apropiados.
Conclusión
El comportamiento 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 de una loción para la piel se evaluó realizando una prueba de tabla 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.
Se comprobó que el 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 se ajustaba bien a la curva de flujo entre 0,1 y 10 s-1, con un valor de 0,1735 para n y un valor de 11,71 para k. Esto indica que el material es altamente viscoso, con una viscosidad 1000 veces superior a la del agua a una velocidad de cizallamiento de 1 s-1. Este modelo ha demostrado ser útil para cuantificar el 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 de la loción.
Este modelo ha demostrado ser útil para cuantificar el comportamiento 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 y también para comparar productos y formulaciones.
Nota: 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.