Surveillance de la reconstitution de la structure (thixotropie) après extrusion à partir d'un flacon, d'un tube ou d'une tête de pulvérisation

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 l'orifice 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 :

Formule mathématique illustrant la dynamique des fluides, avec les variables Q, r et n, pertinente pour les études de physique et d'ingénierie.

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 pendant l'extrusion.

De nombreux produits de consommation, y compris les denrées alimentaires, les revêtements et les produits de toilette/cosmétiques, peuvent avoir des microstructures très délicates. Ces structures sont facilement décomposées au cours du processus d'extrusion et peuvent ne pas retrouver leur structure initiale avant un certain temps. Les matériaux dont la structure se rétablit ou se reconstruit en fonction du temps sont dits thixotropes. En calculant le taux de cisaillement rencontré au cours de l'extrusion et en l'utilisant à l'étape intermédiaire d'un essai de déformation par paliers et de taux de cisaillement, il est possible d'imiter la rupture structurelle résultant de l'extrusion.

En suivant immédiatement la récupération structurelle par le biais du module élastique G' en fonction du temps, il est possible de déterminer la récupération structurelle du système et, en fin de compte, l'intégrité structurelle du produit au moment de son utilisation. Cela peut être important en termes d'apparence physique (résistance à l'affaissement), de texture à l'usage ou de fonctionnalité du produit, par exemple, la capacité à s'accrocher à une surface verticale.

Expérimental

Les propriétés de récupération structurelle d'un dentifrice et d'un gel capillaire ont été évaluées dans des conditions de taux de cisaillement associées à l'extrusion du produit pendant son utilisation.
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 les deux échantillons étaient 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 automatiquement calculés 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. Le test a été programmé pour utiliser cette valeur calculée comme taux de cisaillement intermédiaire dans un test de taux de cisaillement par étapes, les étapes 1 et 2 employant une valeur de déformation constante dans les échantillons Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER à une fréquence de 1 Hz.
Le temps nécessaire pour retrouver 90 % de l'élasticité initiale du produit (G') a été automatiquement déterminé et indiqué à la fin de l'essai.

Les courbes de déformation/de taux de cisaillement pour le dentifrice montrent le module d'élasticité G' (rouge), le module de viscosité G'' (bleu) et l'angle de phase δ (vert). — 1) Courbes de déformation/de taux de cisaillement par paliers pour un dentifrice (module élastique G' en rouge ; Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module visqueux G'' en bleu ; angle de phase δ en vert)

Courbes de déformation/de taux de cisaillement du gel capillaire montrant le module d'élasticité G' (rouge), le module de viscosité G'' (bleu) et l'angle de phase δ (vert). — 2) Courbes de déformation par paliers/vitesse de cisaillement pour un gel capillaire (module élastique G' en rouge ; Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module visqueux G'' en bleu ; angle de phase δ en vert)

Résultats et discussion

Le calculateur automatique a évalué le taux de cisaillement dans le processus d'extrusion à 86 ^s-1 pour le dentifrice et à 240 ^s-1 pour le gel capillaire. Ces valeurs ont été utilisées dans l'étape de taux de cisaillement intermédiaire du test.

La figure 1 montre les résultats pour le dentifrice. Il s'agit manifestement d'un matériau hautement thixotrope, comme l'indique la courbe de récupération qui montre qu'il ne récupère pas complètement sa structure pendant la durée de l'essai, n'atteignant que 50 % de sa valeur initiale de G' après environ 500 secondes.

À l'inverse, le gel capillaire (figure 2) récupère sa structure presque instantanément, 90 % de la récupération se produisant dans les 5 premières secondes et la récupération complète dans les 20 secondes. Ceci est important pour ce produit car il doit fournir une fixation instantanée aux cheveux avant que la résine ne puisse former un film élastique pour une fixation à plus long terme.

Il convient de noter que les deux matériaux semblent présenter un comportement de limite d'élasticité à la fréquence mesurée puisque G' dépasse G", ce qui indique une microstructure interconnectée ou à dominante solide.

Conclusion

Un test de taux de déformation/cisaillement en trois étapes a été réalisé sur un dentifrice et un gel capillaire afin d'évaluer la vitesse et l'étendue de la récupération de l'élasticité après l'extrusion d'un tube. Le dentifrice s'est révélé très thixotrope, puisqu'il lui a fallu 500 secondes pour retrouver 50 % de son élasticité d'origine, tandis que le gel capillaire a retrouvé presque immédiatement son élasticité.

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 les particules sont de taille 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.