Mengevaluasi Karakteristik Penyebaran Produk pada Rotational Rheometer Menggunakan Model Hukum Daya

Pendahuluan

Sifat reologi suatu produk dapat memengaruhi bagaimana produk tersebut secara visual dan tekstur dirasakan oleh konsumen dan bagaimana perilakunya selama penggunaan produk. Sebagai contoh, bahan yang sangat tipis akan sangat responsif terhadap perubahan tekanan yang diberikan, sementara bahan Newtonian akan menunjukkan ketergantungan yang lebih rendah. Respon seperti itu penting ketika mempertimbangkan kemudahan penyebaran atau 'kemampuan menyebar'.

Proses penyebaran menyebabkan pengurangan ketebalan lapisan karena didistribusikan ke area permukaan yang lebih luas seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Karena laju geser sama dengan kecepatan yang diterapkan dibagi dengan ketebalan lapisan, maka penyebaran tidak dapat dikaitkan dengan laju geser tunggal.

Cara yang lebih baik untuk menilai kemampuan penyebaran adalah dengan mengkarakterisasi perubahan viskositas pada berbagai laju geser seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Daerah yang menarik adalah daerah Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser atau daerah hukum daya karena ini menggambarkan seberapa mudah struktur material rusak dengan geseran yang diterapkan. Wilayah ini tampak linier pada plot log-log viskositas vs laju geser dengan gradien konstan, tetapi menunjukkan ketergantungan hukum pangkat ketika diplot pada skala linier.

Grafik yang menggambarkan penurunan ketebalan lapisan produk dari waktu ke waktu, menyoroti dinamika penyebaran dalam analisis material. — 1) Diagram yang menunjukkan bagaimana ketebalan lapisan produk berubah selama penyebaran

Diagram yang mengilustrasikan kurva aliran ideal dengan model viskositas: Cross/Carreau/Moore, Power-law, dan Sisko. — 2) Diagram yang menunjukkan kurva aliran ideal dan model yang relevan untuk menggambarkan bentuknya

Secara matematis, wilayah kurva aliran ini dapat digambarkan dengan menggunakan Power Law atau Model Ostwald de Waele yang diberikan oleh Persamaan 1.

Gambar menampilkan persamaan matematis, σ = kγ^n, yang mewakili model aliran, yang mungkin terkait dengan perilaku material dalam fisika atau teknik.

k adalah konsistensi
n adalah indeks hukum daya
σ adalah laju geser

Konsistensi memiliki satuan Pasn tetapi secara numerik sama dengan viskositas yang diukur pada 1 ^s-1. Indeks hukum daya berkisar dari 0 untuk bahan yang sangat tipis hingga 1 untuk bahan Newtonian.

Semakin rendah input tegangan yang dibutuhkan, semakin mudah bahan tersebut menyebar. Nilai k yang lebih rendah berarti viskositas yang lebih rendah dan karenanya input tegangan yang lebih rendah, sedangkan nilai n yang lebih rendah menunjukkan Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser yang lebih besar yang diterjemahkan menjadi peningkatan tegangan yang lebih kecil dengan meningkatnya laju geser.

Informasi ini dapat direpresentasikan pada grafik yang mirip dengan yang ditunjukkan pada Gambar 3. Material dengan nilai k rendah dan/atau nilai n rendah seharusnya paling mudah menyebar.

Diagram yang mengilustrasikan konsistensi produk berdasarkan penipisan geser, yang menampilkan berbagai produk seperti margarin, madu, dan body lotion. — 3) Diagram yang menunjukkan bagaimana produk yang berbeda dapat muat pada plot k versus n

Eksperimental

Kemampuan penyebaran sejumlah produk konsumen dievaluasi dengan melakukan uji tanjakan laju geser dan menganalisis kurva yang dihasilkan dengan menggunakan Model Hukum KekuasaanModel hukum daya adalah model reologi yang umum digunakan untuk mengukur (biasanya) sifat penipisan geser suatu sampel, dengan nilai yang mendekati nol mengindikasikan material yang lebih menipis.model hukum daya.
Pengukuran rheometer rotasi dilakukan dengan menggunakan rheometer rotasi Kinexus dengan kartrid pelat Peltier dan ^sistem pengukuran pelat paralel yang dikeraskan1 , dan menggunakan urutan standar yang telah dikonfigurasi sebelumnya dalam perangkat lunak rSpace.
Urutan pemuatan standar digunakan untuk memastikan bahwa kedua sampel tunduk pada protokol pemuatan yang konsisten dan terkendali.
Semua pengukuran reologi dilakukan pada suhu 25°C.
Kurva aliran dihasilkan dengan menggunakan uji ramp laju geser dan Model Hukum KekuasaanModel hukum daya adalah model reologi yang umum digunakan untuk mengukur (biasanya) sifat penipisan geser suatu sampel, dengan nilai yang mendekati nol mengindikasikan material yang lebih menipis.model hukum daya yang dipasang pada kurva ini.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 4 menunjukkan kurva viskositas-laju geser untuk sejumlah produk komersial dan parameter penyesuaian yang sesuai, dengan presentasi grafis yang terakhir pada Gambar 5.

Meskipun pasta gigi dan krim tangan memiliki nilai k yang serupa, krim tangan memiliki nilai n yang jauh lebih rendah sehingga lebih mudah menipis dan lebih mudah menyebar. Sebaliknya, sirup dan saus cokelat memiliki nilai k yang jauh lebih rendah tetapi tidak menipis sehingga tampak tebal dan KetidakrapianKelengketan menggambarkan interaksi antara 2 lapisan bahan yang identik (autohesi) atau berbeda (kohesi) dalam hal kelengketan permukaan.lengket saat diaplikasikan. Body lotion memiliki nilai k dan n yang relatif rendah sehingga lebih mudah diaplikasikan. Untuk membandingkan secara kuantitatif kebutuhan tegangan untuk penyebaran krim tangan dan sirup masing-masing pada laju geser yang setara, nilai n dan k dapat diganti ke dalam Persamaan 1. Mempertimbangkan laju geser tunggal 1 ^s-1 yang mungkin setara dengan lapisan produk yang lebih tebal daripada tegangan yang diperlukan untuk mempertahankan aliran pada laju geser ini adalah 279 Pa untuk krim tangan dan 10 P a untuk sirup (σ = k pada 1 ^s-1). Pada laju geser 1000 ^s-1 yang berhubungan dengan lapisan bahan yang lebih tipis yang dihasilkan dari proses penyebaran, kebutuhan tegangan meningkat menjadi 734 Pa untuk krim tangan dan 10.000 Pa untuk sirup. Hal ini menyoroti pentingnya perilaku Non-NewtonianFluida non-Newtonian adalah fluida yang menunjukkan viskositas yang bervariasi sebagai fungsi dari laju geser atau tegangan geser yang diterapkan.non-Newtonian dalam proses penyebaran.

Kurva aliran menampilkan data viskositas untuk krim tangan, losion tubuh, pasta gigi, dan sirup dengan parameter penyesuaian model. — 4) Kurva aliran dan parameter penyesuaian model untuk berbagai sampel

Plot yang menunjukkan parameter model fitting k dan n untuk krim tangan, losion tubuh, pasta gigi, dan sirup dalam grafik analisis ilmiah. — 5) Parameter model fitting k dan n diplot terhadap satu sama lain

Kesimpulan

Uji ramp laju geser dengan Model Hukum KekuasaanModel hukum daya adalah model reologi yang umum digunakan untuk mengukur (biasanya) sifat penipisan geser suatu sampel, dengan nilai yang mendekati nol mengindikasikan material yang lebih menipis.model hukum daya yang sesuai digunakan untuk mengkarakterisasi kemampuan penyebaran berbagai produk komersial dengan menggunakan parameter pemasangan hukum daya k dan n. Nilai k dan n yang rendah menunjukkan viskositas yang lebih rendah dan tingkat Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser yang lebih besar, yang akan berkontribusi pada penyebaran yang lebih mudah.

Harap diperhatikan...

bahwa pengujian direkomendasikan untuk dilakukan dengan geometri kerucut dan pelat atau pelat paralel - dengan yang terakhir lebih disukai untuk dispersi dan emulsi dengan ukuran partikel large. Jenis material tersebut mungkin juga memerlukan penggunaan geometri bergerigi atau kasar untuk menghindari artefak yang berkaitan dengan selip pada permukaan geometri.