Bevezetés
A magas szilárdanyag-tartalmú mintákon végzett nyírási reológiai mérések nehézségekbe ütközhetnek a rotációs reométeren, mivel a minta hajlamos lehet a törésre még alacsony vagy medium nyírási sebességnél is. Ilyenkor a nyírófeszültség hirtelen, éles csökkenése látható az adatokban, amikor a minta a geometriai rés szélénél törik.
Az ilyen hatásokra hajlamos koncentrált szuszpenzióra példa a fogkrém. A fogkrémek általában csiszolóanyagot, polimer sűrítőanyagot és diszpergálószert tartalmaznak vizes bázisban, ízesítő- és tartósítószerekkel együtt. Az ilyen erősen csomagolt anyagok jellemzően törést mutatnak forgási nyírás hatására, ami problémás lehet a teljesítmény értékelésénél az alkalmazás szempontjából releváns körülmények között. A fogkrémek esetében nehéz lehet meghatározni a feldolgozás szempontjából releváns áramlási jellemzőket, és gyakran nehéz megjósolni, hogy a kész fogkrém hogyan fog kifolyni a tubusból a fogkefére.
Az 1. ábra egy tipikus fogkrém egyensúlyi áramlási görbéjének profilját mutatja. Figyeljük meg a viszkozitás 40 s-1-nél bekövetkező éles csökkenését, ami megfelel a fogkrém törésének a felső és az alsó geometria között.
A minta törése késleltethető (a nyírási sebesség szempontjából) a párhuzamos lemezgeometria alkalmazásával, amely lehetővé teszi a kisebb résméret alkalmazását, de teljesen nem küszöbölhető ki. A keskeny rés alkalmazása valójában hátrányos lehet a large részecskéket tartalmazó, erősen töltött anyagok esetében, mivel elég nagy large rést kell alkalmazni ahhoz, hogy a részecskék ne akadjanak el a nyírás alatt[1].
Az ilyen rendszerek nyírási áramlási tulajdonságainak mérésére egy alternatív technika a squeeze flow. Ennek során a mintát párhuzamos lemezek közé helyezik, majd mérik a minta által generált normál erőt, ahogy a rés például állandó sebességgel záródik. Laun és munkatársai (Laun, Rady, & Hassager, 1999) kidolgoztak egy módszert, amely figyelembe veszi a részleges falcsúszást, és a rés és a normálerő adatait átváltja nyírófeszültséggé és nyírási sebességgé, ami lehetővé teszi a nyírási viszkozitás kiszámítását a nyírási sebesség függvényében. A meghatározott réssebesség mellett elérhető maximális nyírási sebességet a reométer maximális normálerő-képessége korlátozza, de gyakran meghaladhatja a rotációs reometriával elérhető nyírási sebességet, ha a minta peremtörést mutat.
A módszer lényege, hogy egy meghatározott mennyiségű mintát az alsó geometriájú lemez közepére töltünk, majd a felső lemezt állandó sebességgel egy meghatározott végrésig leeresztjük, lásd a 2. ábrát. A minta által a geometria lefelé irányuló mozgásának ellenálló felfelé irányuló erőt és a megfelelő rést az idő függvényében mérjük.
Kísérleti
- A fogkrém préselési folyási viselkedését 2 mm/s és 10 mm/s sebességű csappantyúzó sebességgel vizsgálták.
- A méréseket 1 g-os fogkrém aliquotákon végeztük egy Peltier lemezkazettával és egy 60 mm-es párhuzamos lemezes mérőrendszerrel ellátott Kinexus rotációs reométerrel, az rSpace for Kinexus szoftverben lévő squeeze flow szekvenciát használva.
- Az összehasonlító rotációs áramlási görbeadatokat egy 40 mm-es, 1 mm-es réssel ellátott, érdesített párhuzamos lemezzel és egy standard, előre konfigurált rSpace szekvencia alkalmazásával állítottuk elő.
- Minden mérést 25 °C-os hőmérsékleten végeztünk.
- A minta tömegét 1,3 g/cm3 fogkrémsűrűséggel számoltuk át térfogatra.
Eredmények és vita
A 3. ábra a fogkrém hézag- és normálerő-profilját mutatja, 2 mm/s hézagolási sebességgel. A hézagot jelképező kék vonal a felső geometriájú lemeznek a mintához való közeledését mutatja. Ahogy a lemez érintkezik a mintával, egyre nagyobb átmérőjű összenyomott hengert képez, és a normálerőt jelképező piros vonal növekedni kezd. Amint a felső geometriájú lemez eléri a meghatározott végrést, a nyomóerő állandóvá válik, mivel a préselés megszűnik.
A normálerő és a hézag adatai a mérési művelet végén automatikusan átváltoznak nyírófeszültséggé, illetve nyírási sebességgé a [1] és [2] egyenletek segítségével. A nyírási viszkozitást ezután úgy számítják ki, hogy az így kapott nyírási feszültséget elosztják a megfelelő nyírási sebességgel.
A 4. ábra mutatja a 2 mm/s tágulási sebességgel végzett préseléses áramlási adatokból generált áramlási görbét. Ez az ábra a minta áramlási viselkedését tekintve három különböző régiót mutat; kb. 7 s-1-ig a minta éppen csak elkezd áramlani, ahogy a nyomóerők növekedni kezdenek; 7 s-1-től a viszkozitási profil gradiens változást mutat, ahogy a minta áramlást mutat; 150 s-1 felett további gradiens változás következik be, ahogy a nyomóerők elérik a maximumot és a minta áramlása leáll. Így a mérésből csak az állandó mintaáramlásra vonatkozó adatokat használjuk fel.
A préselési folyásvizsgálatot megismételtük egy friss 1 g-os fogkrémadaggal, és ezúttal 10 mm/s sebességgel végeztük el a fogkrémet. A 2 és a 10 mm/s sebességű adatok összehasonlítása az 5. ábrán látható, a hagyományos rotációs reometriával kapott egyensúlyi áramlási adatokkal együtt.
Látható, hogy a szorító áramlási adatok rendkívül jól illeszkednek a rotációs adatokhoz, a nyírási sebességet a rotációs mérések esetében maximálisan 20 s-1 -ről a szorító áramlási mérések esetében 700 s-1 -re kiterjesztve. Természetesen a különböző minták az itt bemutatottnál jobban vagy kevésbé alkalmasak lehetnek a squeeze flow technikára, ezért minden új elemzéshez próbamérések javasoltak.
Következtetés
A fejlett axiális vizsgálati képességekkel rendelkező Kinexus rotációs reométer a törésre hajlamos koncentrált szuszpenziók mérhető nyírási sebességtartományának kiterjesztésére használható a squeeze flow technika alkalmazásával. A fogkrémre vonatkozó, a squeeze flow mérésekkel kapott számított viszkozitások a hagyományos rotációs reometriával összehasonlítható adatokat adtak, és közel két nagyságrenddel bővítették a nyírási sebességtartományt.
Lábjegyzet
[1] A rés méretének a legnagyobb részecske méretének 10-szeresének kell lennie, hogy a részecskék között elegendő szabad tér maradjon a szabad mozgáshoz. Növekvő nyírási sebesség és szűk rés esetén a large részecskék hajlamosak egymáshoz szorulni, ami meghamisítja az áramlási viselkedést.