Introduction
De nombreux produits de consommation sont conditionnés dans des tubes ou des bouteilles où l'application du produit implique le pompage du produit à travers une buse. Ces produits ont tendance à s'amincir sous l'effet du cisaillement, la viscosité diminuant au cours du processus d'extrusion en raison de l'augmentation du taux de cisaillement, puis se rétablissant à la sortie de la buse lorsque le taux de cisaillement est réduit. Le taux de cisaillement rencontré au cours de ce processus est lié au rayon r de l'orifice et au débit volumétrique Q par l'expression suivante :
Le paramètre n est l'indice de la loi de puissance, qui est de 1 pour un liquide newtonien et de 0 à 1 pour un fluide Non-newtonienUn fluide non newtonien est un fluide dont la viscosité varie en fonction du taux de cisaillement ou de la contrainte de cisaillement appliquée.non newtonien. Cette valeur peut être facilement obtenue à partir d'un essai à taux de cisaillement variable en ajustant un Modèle de la loi de puissanceLe modèle de la loi de puissance est un modèle rhéologique courant pour quantifier (généralement) la nature de l'amincissement par cisaillement d'un échantillon, la valeur la plus proche de zéro indiquant un matériau qui s'amincit davantage par cisaillement.modèle de loi de puissance aux données obtenues.
En mesurant le débit volumétrique (volume distribué en un temps donné) et le rayon interne de l'orifice, il est possible d'estimer le taux de cisaillement rencontré au cours du processus d'extrusion. Cette valeur peut ensuite être utilisée dans un test en boucle du taux de cisaillement, qui fait passer le taux de cisaillement d'une valeur faible (avant l'extrusion) au taux de cisaillement qui nous intéresse et vice-versa. Ce test permet de déterminer la quantité de contrainte nécessaire pour extruder, pulvériser ou verser le produit, ainsi que l'ampleur de la récupération de la viscosité après ce processus, ce qui déterminera en fin de compte l'épaisseur du produit utilisé. Ceci peut être quantifié en mesurant la surface comprise entre les courbes ascendante et descendante.
Expérimental
- Les propriétés d'extrusion d'un dentifrice et d'une lotion corporelle ont été évaluées et comparées dans des conditions adaptées au procédé.
- Les mesures au rhéomètre rotatif ont été effectuées à l'aide d'un rhéomètre rotatif Kinexus équipé d'une cartouche à plaques Peltier et d'un système de mesure à plaques parallèles rugueuses1, et en utilisant des séquences standard préconfigurées dans le logiciel rSpace.
- Une séquence de chargement standard a été utilisée pour s'assurer que l'échantillon était soumis à un protocole de chargement cohérent et contrôlable.
- Toutes les mesures rhéologiques ont été effectuées à 25°C.
- Les taux de cisaillement d'extrusion pertinents ont été calculés automatiquement dans le cadre de la séquence d'essai en utilisant les valeurs entrées du volume extrudé, du temps d'extrusion et du rayon d'ouverture. L'essai a été programmé pour utiliser cette valeur calculée comme taux de cisaillement maximal dans une rampe de taux de cisaillement ascendante puis descendante.
- La contrainte mesurée à la vitesse de cisaillement calculée et la zone entre les courbes "ascendante et descendante" ont toutes deux été indiquées. La première indique la contrainte requise pour l'extrusion et la seconde l'étendue de la récupération de la viscosité (ThixotropiePour la plupart des liquides, l'amincissement par cisaillement est réversible et les liquides retrouvent à un moment donné leur viscosité d'origine lorsque la force de cisaillement est supprimée.thixotropie) après l'extrusion.
Résultats et discussion
Le calculateur automatique a déterminé que le taux de cisaillement était d'environ 2000 s-1 pour la lotion corporelle et a donc effectué automatiquement une rampe de taux de cisaillement entre 0,1 s-1 et 2000 s-1, puis à nouveau une rampe de taux de cisaillement. Les résultats présentés dans la figure 1 montrent que la viscosité au taux de cisaillement représentatif est de 0,143 Pas et qu'il faudrait une contrainte de cisaillement appliquée (associée à l'écrasement) de 274 Pa pour extruder le produit. En outre, l'analyse de la surface donne une valeur de 18 seulement, ce qui suggère que le produit retrouverait rapidement sa viscosité après l'extrusion et qu'il n'est donc pas thixotrope.
Pour le dentifrice illustré à la figure 2, le taux de cisaillement de l'extrusion a été calculé à environ 33 s-1. La viscosité au taux de cisaillement représentatif est de 19,73 Pas et il faudrait une contrainte de cisaillement appliquée de 643 Pa pour extruder le produit. Ce matériau semble être thixotrope puisque la zone entre les courbes supérieure et inférieure a une valeur beaucoup plus élevée de 775. Le léger pic de viscosité observé au début de l'essai pour les deux échantillons est le résultat d'une déformation élastique au démarrage et devrait être observé pour ces deux produits car ils ont tous deux des limites d'élasticité [1].
Conclusions
Une valeur de taux de cisaillement relative à l'extrusion d'une crème pour la peau à partir d'un flacon et d'un dentifrice à partir d'un tube a été calculée et introduite automatiquement dans un test de rampe de taux de cisaillement "vers le haut et vers le bas". Les résultats ont montré qu'une contrainte de cisaillement de 274 Pa serait nécessaire pour distribuer la crème pour la peau au taux souhaité et de 643 Pa pour le dentifrice. La détermination de la surface entre les courbes ascendante et descendante a montré que la lotion corporelle n'était pas thixotrope tandis que le dentifrice présentait un comportement thixotrope.
A noter...
qu'il est recommandé d'effectuer les essais avec une géométrie de type cône et plaque ou plaque parallèle - cette dernière étant préférable pour les dispersions et les émulsions dont la taille des particules est de large. Ces types de matériaux peuvent également nécessiter l'utilisation de géométries dentelées ou rugueuses pour éviter les artefacts liés au glissement à la surface de la géométrie.