Tuotteen leviämisominaisuuksien arviointi rotaatioreometrillä käyttäen teholain mallia

Johdanto

Tuotteen reologiset ominaisuudet voivat vaikuttaa siihen, miten kuluttaja kokee tuotteen visuaalisesti ja koostumuksellisesti ja miten se todennäköisesti käyttäytyy tuotteen käytön aikana. Esimerkiksi hyvin leikkausohenteiset materiaalit reagoivat hyvin herkästi jännityksen muutoksiin, kun taas newtonilaiset materiaalit ovat paljon vähemmän riippuvaisia. Tällainen reagointi on tärkeää, kun tarkastellaan levittymisen helppoutta tai "levittyvyyttä".

Leviämisprosessi 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 voida näin ollen 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 sitä, 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.

Kaavio, joka kuvaa tuotekerroksen paksuuden vähenemistä ajan myötä ja korostaa materiaalianalyysin leviämisdynamiikkaa. — 1) Kaavio, joka osoittaa, miten tuotteen kerroksen paksuus muuttuu levityksen aikana

Kaavio, joka havainnollistaa ihanteellista virtauskäyrää viskositeettimalleilla: Cross/Carreau/Moore, Power-law ja Sisko. — 2) Kaavio, jossa esitetään ihanteellinen virtauskäyrä ja sen muotoa kuvaavat mallit

Matemaattisesti tätä virtauskäyrän aluetta voidaan kuvata yhtälön 1 mukaisella Power Law tai Ostwaldin de Waelen mallilla.

Kuvassa näkyy matemaattinen yhtälö σ = kγ^n, joka edustaa virtausmallia, joka todennäköisesti liittyy materiaalin käyttäytymiseen fysiikassa tai tekniikassa.

k on konsistenssi
n on potenssilaki-indeksi
σ on leikkausnopeus

Konsistenssin yksikkö on Pasn, mutta numeerisesti se on yhtä suuri kuin viskositeetti, joka mitataan 1 ^s-1:llä. Potenssilain indeksi vaihtelee 0:sta hyvin leikkausohuille materiaaleille ja 1:stä newtonilaisille materiaaleille.

Mitä pienempi on tarvittava jännityspanos, 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.

Kaavio, jossa kuvataan tuotteen koostumusta leikkausohennuksen perusteella ja jossa on erilaisia tuotteita, kuten margariinia, hunajaa ja vartalovoidetta. — 3) Kaavio, joka osoittaa, miten eri tuotteet voivat sopia k:n ja n suhteen kuvaajaan

Kokeellinen

Useiden kulutustuotteiden 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 johdonmukaista ja hallittavissa olevaa kuormitusprotokollaa.
Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa.
Virtauskäyrä luotiin 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.

Tulokset ja keskustelu

Kuvassa 4 esitetään viskositeetti-leikkausnopeus -käyrä useille kaupallisille tuotteille ja niitä vastaavat sovitusparametrit, ja jälkimmäiset esitetään graafisesti kuvassa 5.

Vaikka hammastahnalla ja käsivoiteella on samanlaiset k-arvot, 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 1 ^s-1, joka voi olla sama kuin paksumpi tuotekerros, virtauksen ylläpitämiseen vaadittava jännitys on 279 Pa käsivoiteen osalta ja 10 P a siirapin osalta (σ = k 1 ^s-1:ssä). Kun leikkausnopeus on 1000 ^s-1, mikä viittaisi levitysprosessin seurauksena syntyvään ohuempaan materiaalikerrokseen, jännitysvaatimus kasvaa 734 Pa:iin käsivoiteen osalta ja 10 000 Pa:iin siirapin osalta. Tämä korostaa ei-newtonilaisen käyttäytymisen merkitystä levitysprosessissa.

Virtauskäyrät näyttävät käsivoiteen, vartalovoiteen, hammastahnan ja siirapin viskositeettitiedot sekä mallin sovitusparametrit. — 4) Virtauskäyrät ja mallin sovitusparametrit eri näytteille

Käsi- ja vartalovoiteen, hammastahnan ja siirapin mallin sovitusparametrit k ja n tieteellisen analyysin kuvaajassa. — 5) Mallin sovitusparametrit k ja n piirrettyinä toisiaan vasten

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 osoittavat alhaisempaa viskositeettia ja suurempaa leikkausohennusta, mikä helpottaa levittymistä.

Huomaa...

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.