はじめに
製品のレオロジー特性は、その製品が消費者にどのように視覚的・触感的に受け止められるか、また製品使用中にどのような挙動を示す可能性があるかに影響します。例えば、非常にせん断減粘性の高い材料は、加えられる応力の変化に非常に敏感に反応しますが、ニュートン流体材料はその依存性が非常に低くなります。このような反応は、展延のしやすさや「展延性」を考慮する際に重要である。
図 1 に示すように、展延の過程では、より広い表面積に分布するため、結果として層の厚みが減少する。せん断速度は印加速度を層厚で割ったものに等しいため、スプレッドは単一のせん断速度に起因するものではない。
展延性を評価するためのより良い方法は、図2に示すように、せん断速度の範囲における粘度の変化を特徴付けることである。せん断減粘またはべき乗則の領域は、せん断を加えることによって材料の構造がどの程度容易に破壊されるかを表すため、関心のある領域です。この領域は、一定の勾配を持つ粘度対せん断速度の対数プロットでは線形に見えますが、線形スケールでプロットするとべき乗則依存性を示します。
数学的には、フロー曲線のこの領域は、式1で与えられるべき乗則モデルまたはオストワルド・ドゥ・ヴェールモデルを用いて記述することができる。
? = ??̇?
k はコンシステンシー
n はべき乗則指数
σ はせん断応力
?̇ はせん断速度
粘度はPasnの単位を持つが、数値的には1s-1で測定した粘度に等しい。べき乗則指数は、せん断減粘度の高い材料の0からニュートン流体の1までの範囲です。必要な応力が低いほど、材料は広がりやすくなります。kの値が低いほど粘度が低く、応力入力が小さいことを意味し、nの値が低いほどせん断減粘が大きく、せん断速度の増加に伴う応力増加が小さいことを意味します。
この情報は、図 3 のようなチャートで表すことができます。k値および/またはn値が低い材料は、最も拡散しやすいはずです。
実験的
- せん断速度ランプ試験を実施し、べき乗則モデルを用いて結果曲線を分析することで、多数の消費者向け製品の展延性を評価した。
- 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用いて行いました。
- 両方の試料が一貫して制御可能な負荷プロトコルに従うように、標準負荷シーケンスが使用されました。
- レオロジー測定はすべて25℃で行った。
- せん断速度傾斜試験を用いて流動曲線を作成し、この曲線にべき乗則モデルを当てはめた。
結果と考察
図4は、多くの市販製品の粘度-せん断速度曲線と、それに対応するフィッティング・パラメーターを示しており、後者のグラフは図5に示されている。
歯磨き粉とハンドクリームのk値は似ているが、ハンドクリームの方がn値がはるかに低いため、せん断減粘性が高く、塗り広げやすい。逆に、シロップとチョコレートソースはk値がかなり低いが、せん断減粘性がないため、塗布時に濃厚で粘着性があるように見える。ボディローションは、k値もn値も比較的低く、塗りやすい。
ハンドクリームとシロップをそれぞれ同等のせん断速度で塗布する際の応力を定量的に比較するために、nとkの値を式1に代入することができます。製品層が厚いと等しくなる可能性がある1s-1の単一せん断速度を考慮すると、このせん断速度で流動を維持するのに必要な応力は、ハンドクリームでは279Pa、シロップでは10Paである（1s-1におけるσ＝k）。せん断速度が1000s-1になると、スプレッディングプロセスの結果生じる材料の層が薄くなるため、必要応力はハンドクリームで734Pa、シロップで10,000Paに増加する。これは、スプレッドプロセスにおける非ニュートン流体の重要性を浮き彫りにしている。
結論
kとnの値が低いほど粘度が低く、せん断減粘の程度が高いことを示しており、これらはそれぞれ、のびやすさに寄与する。
1コーン・プレートまたはパラレル・プレートのジオメトリーで試験を実施することが推奨され、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とに留意されたい。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に、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。