Tuotteen koostumuksen arviointi käyttämällä värähtelytestausta pyörimisreometrillä

Johdanto

Tuotteiden muotoilu niin, että niillä on sekä oikeat toiminnalliset että aistittavat ominaisuudet, voi olla vaikea tehtävä. Etenkin jälkimmäinen perustuu pitkälti käyttäjäpalautteeseen, jonka saaminen voi viedä paljon aikaa ja vaivaa. Lisäksi palautetta ei ole aina helppo tulkita materiaalin ominaisuuksien ja siten reologisten tietojen perusteella.

Jotta reologiaa voitaisiin käyttää tuotteen koostumuksen arviointivälineenä, on tärkeää ymmärtää, mikä reologinen testitapa jäljittelee parhaiten tiettyä sovellusta, ja myös sopivimmat parametrit kyseisessä testissä käytettäväksi. Esimerkiksi ihovoiteen levitys ja hankaus on korkean leikkausnopeuden prosessi, jota on parasta arvioida käyttämällä tasaista leikkaustestiä sopivalla leikkausnopeudella. Toisin kuin ruukun tekstuuri, tekstuuri liittyy sen taustalla olevaan mikrorakenteeseen, jota arvioidaan parhaiten värähtely- tai virumiskokeilla.

Yksinkertainen testi materiaalin rakenteen arvioimiseksi small muodonmuutosten yhteydessä on värähtelyamplitudin pyyhkäisy. Tämä voi antaa tärkeää tietoa näytteen jäykkyydestä, jousituksesta, rakenteellisesta lujuudesta ja muodonmuutoksista. Jäykkyys näkyy kompleksimoduulissa G*, jonka suuremmat arvot osoittavat jäykempää rakennetta, kun taas vaihekulma δ osoittaa rakenteen kimmoisuuden ja siten jousittavuuden. Nämä tiedot voidaan esittää yksinkertaisella G*:n ja δ:n kuvaajalla, kuten kuvassa 1 on esitetty.

Muita tällaisesta testistä saatavia tietoja ovat myötöraja ja MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys, jotka liittyvät rakenteelliseen lujuuteen ja rakenteellisen muodonmuutoksen laajuuteen. Nämä tiedot saadaan kimmojännityksen σ' (kimmo- tai varastointimoduuliin G' liittyvä jännitys) ja venymän välisestä kuvaajasta. Kimmojännityksen huippu osoittaa myötörajan, ja tässä pisteessä mitatut jännitys- ja venymäarvot ovat MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys ja myötöjännitysjännitys, kuten kuvassa 2 esitetään.

Yhdistämällä kaikki nämä tiedot on mahdollista saada tietoa siitä, miten materiaali reagoi small leikkausmuodonmuutoksiin ennen makroskooppisen virtauksen alkamista.

Tämä voi olla hyödyllistä tuotteiden vertailuanalyysissä tai auttaa suunnittelemaan tuotteeseen erityisiä aistittavia ominaisuuksia tai toiminnallisia etuja.

Kokeellinen

• Useita eri tuotteita on arvioitu, jotta niiden väliset erot niiden rakenneominaisuuksissa voitaisiin osoittaa.
• Pyörimisreometrimittaukset tehtiin Kinexus-reometrillä, jossa oli Peltier-levypatruuna ja 40 mm:n karhennettu rinnakkaislevyjen mittausjärjestelmä (näytteen liukumisen välttämiseksi geometrian pinnoilla⁾² ja jossa käytettiin vakiomuotoisia, valmiiksi konfiguroituja sekvenssejä rSpace -ohjelmistossa.
• Vakioidun lataussekvenssin avulla varmistettiin, että näytteeseen sovelletaan johdonmukaista ja hallittavissa olevaa latausprotokollaa.
• Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa, ellei toisin mainita.
• Mittauksessa suoritettiin venymäohjattu amplitudipyyhkäisy, joka ylitti materiaalin myötöjännityksen, ja analysoitiin tiedot automaattisesti siten, että saatiin lineaarisen alueen G*- ja δ-arvot sekä myötöjännityksen ja myötöjännityksen arvo kimmojännityksen piikin (σ') perusteella.

Tulokset ja keskustelu

Kuvassa 3 verrataan erilaisia tuotteita niiden suhteellisen jäykkyyden ja kimmoisuuden suhteen 1 Hz:n taajuudella. Kaaviosta voidaan nähdä, että useimmat näytteet ovat pääasiassa joustavia, ja niiden vaihekulmat ovat alle 45º. Näytteiden jäykkyys vaihtelee kuitenkin, sillä esimerkiksi vartalovoi on 25 kertaa jäykempi (korkeampi moduuli) kuin vartalovoide ja hiuskumi on lähes 100 kertaa jäykempi. Sitä vastoin suihkuvoide on pääasiassa nestemäistä, vaihekulma on lähellä 90º ja jäykkyys suhteellisen alhainen, G*-arvo on vain 23 Pa verrattuna vartalovoin noin 8000 Pa:n arvoon.

Lämpötilan vaikutus voin koostumukseen on erittäin merkittävä, sillä rasvan KiteytyminenKiteytyminen on fysikaalinen kovettumisprosessi, joka tapahtuu kiteiden muodostuessa ja kasvaessa. Tämän prosessin aikana vapautuu kiteytymislämpöä.kiteytyminen alhaisissa lämpötiloissa (jääkaappi) muodostaa jäykän ja erittäin joustavan rakenteen, kun taas huoneenlämmössä rasvan matriisin Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulaminen johtaa pehmeämpään ja vähemmän joustavaan rakenteeseen, joka muistuttaa koostumukseltaan enemmän vartalovoita ja hammastahnaa.

Taulukossa 1 esitetään tuotteiden myötöjännityksen ja myötöjännityksen vastaavat arvot. Huomattakoon, että MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys kuvaa lähinnä jännitystä, joka vaaditaan verkostorakenteen hajoamisen käynnistämiseksi. Koska viskoelastisilla nesteillä (δ > 45º) ei ole verkostorakennetta, MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys liittyy tässä tapauksessa jännitykseen, joka vaaditaan merkittävän virtauksen käynnistymiseen (leikkausohentuminen).

Taulukko 1: Jännitys-muodonmuutoskäyrien huippuanalyysin tulokset

Kun verrataan vartalovoita ja vartalovoidetta keskenään, on selvää, että vartalovoi vaatii suuremman rasituksen rakenteen hajottamiseksi. Tämä näkyy tuotteen käytön aikana, jolloin vartalovoi vaatii enemmän voimaa virtauksen käynnistämiseksi. Vartalovoiteen MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys on suurempi, ja se muotoutuu enemmän ennen ohenemista, mikä viittaa sitkeämpään/hauraampaan rakenteeseen. Joustava majoneesi on sekä suuri MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys että myötöjännitysjännitys, mikä kuvastaa sen havaittua "kumimaista rakennetta" purkissa.

Vaikka vartalopesuaineessa on korkea kriittinen jännitys ja muodonmuutos, sillä ei ole majoneesista poiketen verkostomaista rakennetta (δ > 45º). Nämä kriittiset arvot liittyvät siis siihen jännitykseen ja muodonmuutokseen, jonka materiaali voi kestää ennen kuin virtaus tehostuu merkittävästi. Tämä voi joskus liittyä filamenttien muodostumisen laajuuteen tai tuotteen jäntevyyteen.

Jääkaappilämpötilassa voin MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys on hyvin suuri, minkä vuoksi sitä voi olla vaikea levittää. 25ºC:n lämpötilassa myötöjännityksen voidaan kuitenkin havaita laskevan merkittävästi, mikä johtuu kiteisen rasvamatriisin sulamisesta. Mielenkiintoista on, että voi on hauraampaa tässä korkeammassa lämpötilassa, kuten pienempi MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys osoittaa.

Päätelmä

Amplitudipyyhkäisytesti voi antaa tärkeää tietoa materiaalin rakenteellisista ominaisuuksista, kuten jäykkyydestä, jousituksesta, rakenteellisesta lujuudesta ja haurauskyvystä. Mittaamalla näihin ominaisuuksiin liittyviä parametreja voidaan muodostaa kuva siitä, miltä materiaali näyttää ja miten se käyttäytyy small muodonmuutoksissa. Tällainen tekniikka on hyödyllinen materiaalin karakterisoinnissa ja vertailussa.

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.