Johdanto
Materiaalin reologiset ominaisuudet voivat vaikuttaa siihen, miten se mielletään visuaalisesti ja rakenteellisesti ja miten se todennäköisesti käyttäytyy käsittelyn aikana. Esimerkiksi hyvin leikkausohennetut materiaalit reagoivat hyvin herkästi sovelletun jännityksen muutoksiin, kun taas newtonilaiset materiaalit* ovat paljon vähemmän riippuvaisia. Koska suurin osa kiinnostavista tuotteista on yleensä leikkausohentuvia materiaaleja, on tärkeää pystyä kvantifioimaan tällainen käyttäytyminen. Tämä voidaan tehdä arvioimalla virtauskäyrän potenssilakialue, kuten kuvassa 1 on esitetty. Tämä alue näyttää lineaariselta viskositeetin ja leikkausnopeuden logloggogrammikuvaajassa, jossa on vakio gradientti, mutta osoittaa potenssilakiriippuvuutta, kun se piirretään lineaarisella asteikolla.
Matemaattisesti tämä virtauskäyrän alue voidaan kuvata yhtälössä 1 esitetyllä Power Law- tai Ostwald de Waele -mallilla:
k on konsistenssi, n on potenssilaki-indeksi, σ on leikkausnopeus, -γ 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.
Kun nämä parametrit tunnetaan, yhtälöä voidaan käyttää viskositeetin arvioimiseen millä tahansa leikkausnopeuden arvolla leikkausohennusalueella; on kuitenkin tärkeää, että yhtälöä ei käytetä mitatun leikkausnopeusalueen ulkopuolella, koska testattavasta materiaalista riippuen newtonilainen alue voi olla mittausalueen molemmin puolin.
Kokeellinen
- Ihovoiteen leikkausohennuskäyttäytymistä arvioitiin tekemällä leikkausnopeustestin taulukko ja analysoimalla tuloksena saatu käyrä sovittamalla TeholakimalliPotenssilakimalli on yleinen reologinen malli, jonka avulla voidaan (tyypillisesti) kvantifioida näytteen leikkausohennuksen luonnetta, jolloin arvo lähempänä nollaa osoittaa leikkausohennusta voimistavaa materiaalia.potenssilakimalli.
- Pyörimisreometrimittaukset tehtiin Kinexus-pyörimisreometrillä, jossa oli Peltier-levypatruuna ja karhennettu rinnakkaislevymittausjärjestelmä1, ja käyttäen rSpace -ohjelmiston vakiomuotoisia, valmiiksi konfiguroituja sekvenssejä.
- Standardikuormitusjaksoa käytettiin sen varmistamiseksi, että molemmille näytteille tehtiin yhdenmukainen ja hallittavissa oleva kuormitusprotokolla.
- Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa.
- Virtauskäyrä luotiin käyttämällä tasapainotaulukkoa leikkausnopeustestien välillä 0,1-100 s-1 ja teholakimallia, joka sovitettiin manuaalisesti valittuun käyrän osaan.
*Newtonin nesteet on nimetty Sir Issac Newtonin (1642-1726) mukaan, joka kuvasi nesteiden virtauskäyttäytymistä yksinkertaisella lineaarisella suhteella leikkausjännityksen [mPa] ja leikkausnopeuden [1/s] välillä. Tämä suhde tunnetaan nykyään Newtonin viskositeettilakina.
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 2 esitetään ihovoiteen viskositeetti-leikkausnopeuskäyrä. Tuotteessa on selvästi havaittavissa leikkausohennuskäyttäytymistä, mistä on osoituksena viskositeetin nopea lasku leikkausnopeuden kasvaessa. Vaikka korkeammilla leikkausnopeuksilla on lievää kaarevuutta, tiedot näyttävät suhteellisen suorilta kaksoislogaritmisessa kuvaajassa alemmilla leikkausnopeuksilla.
Noin 10 s-1:n yläpuolella havaitun lievän kaarevuuden vuoksi analyysiin on otettu mukaan vain 0,1 ja 10 s-1:n väliset tiedot, koska tiedot näyttävät lineaarisimmilta tällä alueella (kun ne piirretään logaritmisesti). Sekä malliin sovitettujen että alkuperäisten tietojen käyrät esitetään graafisesti kuvassa 3, ja sovitusparametrit ja korrelaatiokerroin esitetään taulukossa 1.
Taulukko 1: Mallin sovitusparametrien tiedot
| Näyte Kuvaus | Kokeen nimi | Toimenpiteen nimi | k1 | η | Khiin neliö | Korrelaatiokerroin |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ihovesi | Analyysi_0004-1 | Potenssilakimallin sovittaminen | 11.71 | 0.1735 | 617.2 | 0.9908 |
Kun otetaan huomioon, että n = 1 newtonilaisille materiaaleille ja n = 0 useimmille ei-newtonilaisille materiaaleille, voidaan todeta, että tämä materiaali on erittäin leikkausohuttavaa. Tätä leikkausohennusindeksiä voidaan käyttää myös eri tuotteiden vertailuun vertailuanalyysejä varten tai käyttäytymisen ennustamiseen asiaankuuluvassa prosessissa tai sovelluksessa, koska tätä arvoa tarvitaan usein monissa malleissa, jotka kuvaavat ei-newtonilaisten nesteiden virtauskäyttäytymistä. Yleensä mitä pienempi n-arvo on, sitä helpommin neste hajoaa leikkauksen vaikutuksesta. Konsistenssi k on numeerisesti yhtä suuri kuin viskositeetti nopeudella 1 s-1, ja sen arvo on 11,71 tälle näytteelle. Tätä voidaan käyttää viskositeetin yleisenä mittana vertailutarkoituksiin.
Korrelaatiokerroin on hyvä mittari sille, kuinka hyvin malli sopii tietoihin, ja mahdollisimman lähellä ykköstä oleva arvo on suositeltava. Tämän näytteen todellinen arvo on 0,988, mikä osoittaa hyvää korrelaatiota mitattujen ja ennustettujen tietojen välillä.
Kuvassa 4 esitetään samankaltaiset tiedot eräistä muista yleisistä kulutustuotteista ja niiden vastaavat sovitusparametrit.
Kun k ja n on määritetty, näitä arvoja voidaan käyttää viskositeetin ennustamiseen millä tahansa leikkausnopeudella potenssilain yhtälön avulla. Tästä voi olla hyötyä valittaessa optimaalista pakkausta, muotoiltaessa tuotetta uudelleen vastaamaan erityisvaatimuksia tai määritettäessä, miten tuote käyttäytyy valmistuksen aikana tai pakkauslinjalla. Tätä mallia tulisi kuitenkin käyttää vain ennustamaan käyttäytymistä alueella, jolla havaitaan voimasuhdelain mukainen käyttäytyminen, koska se ei kuvaa kaarevuutta, joka voidaan havaita suuremmilla tai pienemmillä leikkausnopeuksilla. Tämän alueen ulkopuolisen käyttäytymisen kuvaamiseen Sisko- tai Cross-mallit voivat olla sopivampia.
Päätelmä
Ihovoiteen leikkausohennuskäyttäytymistä arvioitiin tekemällä leikkausnopeustestin taulukko ja analysoimalla tuloksena saatu käyrä potenssilakimallin avulla.
Potenssilakimallin havaittiin sopivan hyvin virtauskäyrään 0,1-10 s-1 välillä, jolloin n:lle saatiin arvo 0,1735 ja k:lle arvo 11,71. Tämä osoittaa, että materiaali on erittäin leikkausohenteista, ja sen viskositeetti on 1000 kertaa suurempi kuin veden viskositeetti leikkausnopeudella 1 s-1.
Tällainen malli on osoittautunut hyödylliseksi leikkausohentumiskäyttäytymisen kvantifioinnissa sekä tuotteiden ja valmisteiden välisessä vertailussa.
Huomaa: Testaus suositellaan tehtäväksi kartio- ja levy- tai rinnakkaislevygeometrialla - jälkimmäistä suositellaan dispersioille ja emulsioille, joissa on large hiukkaskoko. Tällaiset materiaalityypit saattavat myös vaatia hammastettujen tai karhennettujen geometrioiden käyttöä, jotta vältetään geometrian pinnalla tapahtuvaan liukumiseen liittyvät artefaktat.