Introducción
La realización de mediciones reológicas de cizallamiento en muestras con una elevada fracción de sólidos puede presentar dificultades en un reómetro rotacional, ya que la muestra puede ser propensa a fracturarse incluso a velocidades de cizallamiento de bajas a medium. Cuando esto ocurre, se observa en los datos una disminución brusca y repentina de la tensión de cizallamiento cuando la muestra se fractura en el borde de la separación geométrica.
Un ejemplo de suspensión concentrada propensa a tales efectos es la pasta de dientes. Los dentífricos suelen contener un abrasivo, un espesante polimérico y un dispersante en una base acuosa, junto con aromatizantes y conservantes. Estos materiales tan compactos suelen fracturarse al cizallamiento rotacional, lo que puede resultar problemático a la hora de evaluar su rendimiento en condiciones relevantes para la aplicación. En el caso de las pastas dentífricas, puede ser difícil determinar las características de flujo relevantes para el procesado, y a menudo es difícil predecir cómo fluirá la pasta dentífrica acabada desde el tubo hasta el cepillo de dientes.
La figura 1 muestra el perfil de la curva de flujo de equilibrio de una pasta dentífrica típica. Obsérvese la brusca disminución de la viscosidad a 40 s-1, que corresponde a la fractura de la pasta de dientes entre las geometrías superior e inferior.
La fractura de la muestra puede retrasarse (en términos de velocidad de cizallamiento) mediante el uso de una geometría de placa paralela, que permite la aplicación de un tamaño de separación menor, pero no puede eliminarse por completo. De hecho, el uso de una separación estrecha puede ser perjudicial en el caso de materiales muy rellenos que contengan partículas large, ya que es necesario utilizar una separación suficientemente large para evitar que las partículas se atasquen al cizallar[1].
Una técnica alternativa para medir las propiedades de flujo de cizallamiento de estos sistemas es el flujo de compresión. Esto implica cargar una muestra entre placas paralelas y, a continuación, medir la fuerza normal generada por la muestra a medida que la separación se cierra a una velocidad constante, por ejemplo. Laun et al (Laun, Rady, & Hassager, 1999) han desarrollado un método que tiene en cuenta el deslizamiento parcial de la pared para convertir los datos de la abertura y la fuerza normal en tensión y velocidad de cizallamiento, lo que permite calcular la viscosidad de cizallamiento en función de la velocidad de cizallamiento. La velocidad de cizallamiento máxima disponible a una velocidad de separación establecida está limitada por la capacidad de fuerza normal máxima del reómetro, pero a menudo puede superar la velocidad de cizallamiento alcanzable mediante reometría rotacional, cuando la muestra presenta fractura de bordes.
La metodología consiste en cargar un volumen definido de muestra en el centro de la placa geométrica inferior y, a continuación, bajar la placa superior a una velocidad constante hasta un espacio final definido (véase la figura 2). La fuerza ascendente generada por la muestra que resiste el movimiento descendente de la geometría y el hueco correspondiente se miden en función del tiempo.
Experimental
- Se evaluó el comportamiento de flujo de la pasta dentífrica a velocidades de abertura de 2 mm/s y 10 mm/s. Las mediciones se realizaron en alícuotas de 1 g de pasta dentífrica.
- Las mediciones se realizaron en alícuotas de 1 g de pasta de dientes, utilizando un reómetro rotacional Kinexus con un cartucho de placa Peltier y un sistema de medición de placa paralela de 60 mm, utilizando una secuencia de flujo de compresión en el software rSpace para Kinexus.
- Los datos de la curva de flujo rotacional de comparación se generaron utilizando una placa paralela rugosa de 40 mm con una separación de 1 mm y utilizando una secuencia estándar preconfigurada de rSpace.
- Todas las mediciones se realizaron a una temperatura de 25°C.
- La masa de la muestra se convirtió en volumen utilizando una DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad de pasta de dientes de 1,3 g/cm3.
Resultados y debate
En la figura 3 se muestra un perfil de separación y fuerza normal para pasta de dientes, con una velocidad de separación de 2 mm/s. La línea azul que representa la separación muestra la aproximación de la placa geométrica superior a la muestra. La línea azul, que representa la separación, muestra la aproximación de la placa de geometría superior a la muestra. A medida que la placa entra en contacto con la muestra, forma un cilindro comprimido de diámetro creciente y la línea roja, que representa la fuerza normal, empieza a aumentar. Cuando la geometría superior alcanza la separación final definida, la fuerza de compresión se vuelve constante al cesar la compresión.
Al final de la medición, los datos de fuerza normal y separación se convierten automáticamente en esfuerzo cortante y velocidad de corte, respectivamente, mediante las ecuaciones [1] y [2]. La viscosidad de cizallamiento se calcula dividiendo la tensión de cizallamiento resultante por la velocidad de cizallamiento correspondiente.
En la figura 4 se muestra la curva de flujo resultante generada a partir de los datos de flujo de compresión utilizando una velocidad de separación de 2 mm/s. Este gráfico muestra tres regiones distintas en cuanto al comportamiento de flujo de la muestra; hasta aproximadamente 7 s-1, la muestra apenas empieza a fluir a medida que las fuerzas de compresión comienzan a aumentar; a partir de 7 s-1, el perfil de viscosidad muestra un cambio de gradiente a medida que la muestra muestra flujo; se produce otro cambio de gradiente por encima de 150 s-1 a medida que las fuerzas de compresión alcanzan un máximo y el flujo de la muestra se detiene. Como tal, de la medición sólo se utilizan los datos de flujo constante de la muestra.
El ensayo de flujo por compresión se repitió con una nueva alícuota de 1 g de pasta dentífrica y esta vez utilizando una velocidad de separación de 10 mm/s. En la figura 5 se muestra una comparación de los datos de 2 y 10 mm/s, junto con los datos de flujo de equilibrio obtenidos mediante reometría rotacional tradicional.
Se puede observar que los datos de flujo por compresión coinciden extremadamente bien con los datos rotacionales, ampliando la velocidad de cizallamiento desde un máximo de 20 s-1 para las mediciones rotacionales, hasta 700 s-1 para las mediciones de flujo por compresión. Por supuesto, las diferentes muestras pueden ser más o menos adecuadas para la técnica de flujo exprimido que la mostrada aquí, por lo que se recomiendan mediciones de prueba para cualquier nuevo análisis.
Conclusión
Un reómetro rotacional Kinexus con capacidades avanzadas de ensayo axial puede utilizarse para ampliar el rango medible de velocidad de cizallamiento de suspensiones concentradas, que son propensas a la fractura, mediante la técnica de flujo exprimido. Las viscosidades calculadas para pastas dentífricas obtenidas mediante mediciones de flujo exprimido proporcionaron datos comparables a los de la reometría rotacional tradicional y ampliaron el rango de velocidad de cizallamiento en casi dos órdenes de magnitud.
Nota
[1] El tamaño de la separación debe ser 10 veces el tamaño de la partícula máxima para que haya suficiente espacio libre entre las partículas para que se muevan libremente. Con una velocidad de cizallamiento creciente y un espacio estrecho, las partículas de large tienden a atascarse, falseando el comportamiento del flujo.