はじめに
多くの消費者向け製品はチューブやボトルに包装されており、ノズルを介してポンプで製品を押し出す必要がある。このような製品はせん断減粘製品である傾向があり、せん断速度の増加により押出工程で粘度が低下し、せん断速度が低下するとノズルから出る際に粘度が回復する。このプロセスで発生するせん断速度は、オリフィスの半径rと体積流量Qに次式で関係します：
パラメータnはべき乗則指数であり、ニュートン流体では1、非ニュートン流体では0～1である。この値は、結果データにべき乗則モデルを当てはめることにより、可変せん断速度試験から容易に得ることができる。
体積流量（一定時間に吐出される体積）とオリフィスの内半径を測定することにより、押出工程中に遭遇するせん断速度を推定することが可能である。この値は、せん断速度を（押出前の）低い値から目的のせん断速度まで上昇させ、再び下降させるせん断速度ループ試験で使用することができます。このような試験により、製品の押出し、スプレー、注湯に必要な応力と、この工程後の粘度回復の程度を測定することができ、最終的に使用時の製品の厚さを決定することができます。これは、上昇曲線と下降曲線の間の囲まれた領域を測定することによって定量化することができる。
実験的
- 歯磨き粉とボディローションの押出し特性を評価し、プロセス関連条件下で比較しました。
- 回転型レオメータによる測定は、ペルチェプレートカートリッジと粗面化パラレルプレート測定システム1を備えたKinexus回転型レオメータを使用し、rSpace ソフトウェアにあらかじめ設定された標準シーケンスを使用して行いました。
- 試料に一貫した制御可能な負荷プロトコルを確実に適用するため、標準負荷シーケンスを使用しました。
- レオロジー測定はすべて25℃で行った。
- 関連する押出しせん断速度は、押出し量、押出し時間、および開口半径の入力値を使用して、試験シーケンスの一部として自動的に計算されました。試験は、この計算値をせん断速度ランプの最大せん断速度として使用するようにプログラムされました。
- 計算されたせん断速度における応力の測定値と、「上昇曲線」と「下降曲線」の間の面積の両方が報告されました。前者は押出しに必要な応力を、後者は押出し後の粘度回復（チキソトロピー）の程度を示します。
結果と考察
自動計算機は、ボディローションのせん断速度を約 2000 s-1と判断したため、0.1 s-1 から 2000 s-1の間でせん断速度の傾斜を自動的に行い、再び上昇させた。図1に示す結果から、代表的なせん断速度での粘度は0.143Pasであり、製品を押し出すためには274Paのせん断応力（絞りに伴う）が必要であることがわかります。さらに、面積分析の結果はわずか18であり、この製品は押出し後速やかに粘度を回復するため、非チクソトロピー性であることを示唆している。
図2に示した歯磨き粉の場合、押出しせん断速度は約33 s-1と計算された。この代表的なせん断速度での粘度は19.73Pasであり、この製品を押出すには643Paのせん断応力を加える必要がある。上部曲線と下部曲線の間の面積が775とかなり高い値を示していることから、この材料はチキソトロピー性があると思われる。両試料とも試験開始時に観察される粘度のわずかなピークは、始動時の弾性変形の結果であり、両製品とも降伏応力を有することから、両製品に見られると予想されます[1]。
結論
ボトルからのスキンクリームとチューブからの歯磨き粉の押し出しに関連するせん断速度値が計算され、せん断速度傾斜（up and down）テストに自動的に入力された。その結果、所望の速度でスキンクリームを吐出するには274Paの応力が、歯磨き粉の場合は643Paの応力が必要であることがわかった。上下曲線の面積を測定したところ、ボディローションは非チキソトロピー性であるのに対し、歯磨き粉はチキソトロピー性を示した。
ご注意ください
粒子径がlarge の分散液やエマルションには後者が望ましい。このような材料タイプでは、ジオメトリー表面でのスリップに関連するアーティファクトを避けるため、鋸歯状ジオメトリーまたは粗面化ジオメトリーの使用も必要となる場合がある。