Johdanto
Tuotteen reologiset ominaisuudet voivat vaikuttaa siihen, miten kuluttaja kokee tuotteen visuaalisesti ja koostumuksellisesti ja miten se todennäköisesti käyttäytyy tuotteen käytön aikana. Esimerkiksi hyvin leikkausohennetut materiaalit reagoivat hyvin herkästi jännityksen muutoksiin, kun taas newtonilaiset materiaalit ovat paljon vähemmän riippuvaisia. Tällainen reagointi on tärkeää, kun tarkastellaan levittämisen helppoutta tai "levitettävyyttä".
Levittämisprosessi aiheuttaa kerroksen paksuuden pienenemisen, kun se jakautuu laajemmalle pinta-alalle, kuten kuvassa 1 on esitetty. Koska leikkausnopeus on yhtä suuri kuin sovellettu nopeus jaettuna kerroksen paksuudella, levittymistä ei näin ollen voida katsoa johtuvan yhdestä ainoasta leikkausnopeudesta.
Levittyvyyttä voidaan arvioida paremmin kuvaamalla viskositeetin muutosta eri leikkausnopeuksilla, kuten kuvassa 2 on esitetty. Kiinnostava alue on leikkausohennusalue tai potenssilakialue, koska se kuvaa, kuinka helposti materiaalin rakenne hajoaa kohdistetun leikkauksen vaikutuksesta. Tämä alue näyttää lineaariselta viskositeetin ja leikkausnopeuden log-log-kuvaajassa, jossa gradientti on vakio, mutta osoittaa potenssilakiriippuvuutta, kun se piirretään lineaarisella asteikolla.
Matemaattisesti tätä virtauskäyrän aluetta voidaan kuvata yhtälön 1 mukaisella Power Law tai Ostwaldin de Waelen mallilla.
? = ??̇?
k on konsistenssi
n on potenssilain indeksi
σ on leikkausjännitys
?̇ on leikkausnopeus
Konsistenssin yksikkö on Pasn, mutta se on numeerisesti yhtä suuri kuin viskositeetti mitattuna 1s-1:llä. Potenssilain indeksi vaihtelee 0:sta hyvin leikkausohuille materiaaleille ja 1:stä newtonilaisille materiaaleille. Mitä pienempi on vaadittu jännitystulos, sitä helpommin materiaalin pitäisi levitä. Pienempi k:n arvo tarkoittaa pienempää viskositeettia ja siten pienempää jännityspanosta, kun taas pienempi n:n arvo tarkoittaa suurempaa leikkausohentumista, mikä merkitsee pienempää jännityksen kasvua leikkausnopeuden kasvaessa.
Nämä tiedot voidaan esittää kuvan 3 kaltaisessa kaaviossa. Materiaalit, joiden k-arvot ja/tai n-arvot ovat alhaiset, pitäisi olla helpointa levittää.
Kokeellinen
- Eräiden kuluttajatuotteiden levittyvyyttä arvioitiin tekemällä leikkausnopeusramppitesti ja analysoimalla saatu käyrä potenssilakimallin avulla.
- Pyörimisreometrimittaukset tehtiin Kinexus-pyörimisreometrillä, jossa oli Peltier-levypatruuna ja karhennettu rinnakkaislevymittausjärjestelmä1 , ja käyttäen rSpace -ohjelmiston vakiomuotoisia, valmiiksi konfiguroituja sekvenssejä.
- Standardikuormitusjaksoa käytettiin sen varmistamiseksi, että molempiin näytteisiin sovellettiin yhdenmukaista ja hallittavissa olevaa kuormitusprotokollaa.
- Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa.
- Virtauskäyrä luotiin leikkausnopeusramppitestin avulla, ja käyrään sovitettiin TeholakimalliPotenssilakimalli on yleinen reologinen malli, jonka avulla voidaan (tyypillisesti) kvantifioida näytteen leikkausohennuksen luonnetta, jolloin arvo lähempänä nollaa osoittaa leikkausohennusta voimistavaa materiaalia.teholakimalli.
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 4 esitetään viskositeetti-leikkausnopeus -käyrä useille kaupallisille tuotteille ja niitä vastaavat sovitusparametrit, ja jälkimmäiset esitetään graafisesti kuvassa 5.
Vaikka hammastahnan ja käsivoiteen k-arvot ovat samankaltaiset, käsivoiteen n-arvo on paljon alhaisempi, mikä tekee siitä leikkausohuemman ja helpommin levitettävän. Sitä vastoin siirapin ja suklaakastikkeen k-arvot ovat paljon alhaisemmat, mutta ne eivät ole leikkausohuita, joten ne vaikuttavat levityksen aikana paksulta ja tahmealta. Vartalovoiteen k- ja n-arvot ovat suhteellisen alhaiset, joten sitä on paljon helpompi levittää.
Jotta voidaan vertailla kvantitatiivisesti käsivoiteen ja siirapin levittämiseen vaadittavaa rasitusta vastaavilla leikkausnopeuksilla, n:n ja k:n arvot voidaan korvata yhtälöön 1. Kun otetaan huomioon yksi leikkausnopeus 1s-1, joka voi olla sama kuin paksumpi tuotekerros, virtauksen ylläpitämiseen vaadittava jännitys tällä leikkausnopeudella on 279 Pa käsivoiteen osalta ja 10 Pa siirapin osalta (σ = k 1s-1:ssä). Kun leikkausnopeus on 1000s-1, mikä viittaisi levitysprosessin tuloksena syntyvään ohuempaan materiaalikerrokseen, jännitysvaatimus kasvaa 734 Pa:iin käsivoiteen osalta ja 10 000 Pa:iin siirapin osalta. Tämä korostaa ei-newtonilaisen käyttäytymisen merkitystä levitysprosessissa.
Päätelmä
Erilaisten kaupallisten tuotteiden levittyvyyttä luonnehdittiin leikkausnopeusramppitestillä, johon sovitettiin TeholakimalliPotenssilakimalli on yleinen reologinen malli, jonka avulla voidaan (tyypillisesti) kvantifioida näytteen leikkausohennuksen luonnetta, jolloin arvo lähempänä nollaa osoittaa leikkausohennusta voimistavaa materiaalia.potenssilakimalli käyttäen potenssilakiparametreja k ja n. Pienet k- ja n-arvot viittaavat alhaisempaan viskositeettiin ja suurempaan leikkausohennukseen, mikä helpottaa levittymistä.
1Huomaa, että testaus suositellaan tehtäväksi kartio- ja levy- tai rinnakkaislevygeometrialla - jälkimmäinen on suositeltavampi, kun kyseessä ovat dispersiot ja emulsiot, joiden hiukkaskoko on large. Tällaiset materiaalityypit saattavat myös vaatia hammastettujen tai karhennettujen geometrioiden käyttöä, jotta vältetään geometrian pinnalla tapahtuvaan liukumiseen liittyvät artefaktat.