はじめに
固形分率が高い試料のせん断レオロジー測定を回転型レオメータで行う場合、せん断速度が低速から高速 (medium ) であっても試料が破断しやすいため、測定が困難になることがあります。このような場合、ジオメトリーギャップの端で試料が破断すると、せん断応力が急激に低下します。
このような影響を受けやすい濃縮懸濁液の例として、歯磨き粉があります。歯磨き粉は一般的に、水性ベース中の研磨剤、高分子増粘剤、分散剤、香料、保存料から構成されている。このような高充填の材料は、一般的に回転剪断下で破壊を示すため、用途に関連する条件下で性能を評価する際に問題となることがある。歯磨き粉の場合、加工に関連する流動特性を決定することは困難であり、完成した歯磨き粉がチューブから歯ブラシにどのように流れるかを予測することはしばしば困難である。
図1は、一般的な練り歯磨きの平衡流動曲線プロファイルを示している。40秒-1で粘度が急激に低下していることに注意してください。これは、上下の形状間で歯磨き粉が破断することに対応しています。
平行平板形状を使用することで、より小さなギャップサイズを適用することが可能になるため、（せん断速度の点で）試料の破壊を遅らせることができますが、完全に排除することはできません。狭いギャップの使用は、large 粒子を含む高充填材料の場合、実際には不利になる可能性がある。剪断下で粒子が詰まるのを避けるためには、large 十分なギャップを使用する必要があるからである[1]。
このような系のせん断流動特性を測定するための代替技 術として、スクイズフローがあります。これは、平行平板の間に試料を装填し、例えば一定速度でギャップが閉じる際に試料が発生する法線力を測定するものである。Laun ら（Laun, Rady, & Hassager, 1999）は、部分的な壁面すべりを考慮した方法を開発し、ギャップと法線力のデータをせん断応力とせん断速度に変換して、せん断粘度をせん断速度の関数として計算できるようにしました。設定したギャップ速度で得られる最大せん断速度は、レオメーターの最大法線力によって制限されますが、回転レオメーターで達成可能なせん断速度を超えることがよくあり、その場合、試料はエッジ破壊を起こします。
この方法論では、下部のジオメトリープレートの中央に一定体積の試料を載せた後、上部のプレートを一定速度で下降させ、定義されたエンドギャップまで下降させます (図2を参照)。試料がジオメトリーの下方への移動に抵抗して発生する上向きの力と、それに対応するギャップが、時間の関数として測定される。
実験的
- 歯磨き粉のスクイズフロー挙動を、ギャッピング速度2 mm/sおよび10 mm/sで評価した。
- 測定は、ペルチェプレートカートリッジと60 mmパラレルプレート測定システムを備えたKinexus回転型レオメータを使用し、歯磨き粉の1 gアリコートを用いて、rSpace for Kinexusソフトウェアのスクイズフローシーケンスを利用して行いました。
- 比較用の回転流動曲線データは、1 mmのギャップを持つ40 mmの粗面化パラレルプレートを使用し、標準的な事前設定済みrSpace シーケンスを使用して作成しました。
- 測定はすべて25℃で行った。
- 試料の質量は、歯磨き粉の密度1.3 g/cm3を用いて体積に換算した。
結果と考察
ギャッピング速度2 mm/sの歯磨き粉のギャップと法線力プロファイルを図3に示す。ギャップを表す青い線は、上部形状プレートが試料に接近する様子を示しています。プレートが試料に接触すると、直径が増加する圧縮円柱が形成され、法線力を表す赤線が増加し始めます。上部形状プレートが定義されたエンドギャップに達すると、圧縮力は一定になり、スクイーズが停止します。
法線力とギャップのデータは、測定動作の終了時に、式[1]と[2]を用いて、それぞれ自動的にせん断応力とせん断速度に変換されます。そして、得られたせん断応力を対応するせん断速度で割ることにより、せん断粘度が計算されます。
2mm/sのギャッピング速度を使用したスクイズフローデータから生成されたフローカーブを図4に示します。このグラフは、試料の流動挙動に関して3つの異なる領域を示しています。約7 s-1までは、圧縮力が増加し始めると、試料はちょうど流動し始めます。7 s-1からは、試料が流動するにつれて粘度プロファイルが勾配変化を示します。そのため、この測定では、一定の試料流量のデータのみが利用されます。
このスクイーズフロー試験を、1gの歯磨き粉の新しいアリコートについて、今度は10 mm/sのギャッピング速度で繰り返しました。2mm/sと10mm/sの両データの比較を、従来の回転レオメーターで得られた平衡流動データとともに図5に示します。
スクイズフローデータは回転データと非常によく一致し、せん断速度は回転測定の最大20 s-1からスクイズフロー測定の700 s-1まで拡大していることがわかります。もちろん、試料が異なれば、ここで示したスクイーズフロー技法が適している場合もあれば、適していない場合もあるため、新たな分析を行う場合は、試験測定をお勧めします。
結論
高度な軸方向試験機能を備えたKinexus回転型レオメータは、スクイズフロー技術を使用することで、破壊しやすい濃縮懸濁液の測定可能なせん断速度範囲を拡大することができます。スクイズフロー測定によって得られた歯磨き粉の粘度計算値は、従来の回転レオメーターと同等のデータを示し、せん断速度範囲を2桁近く拡大しました。
脚注
[1] 間隙の大きさは、粒子が自由に動くのに十分な自由空間が粒子間に存在するように、最大粒子の大きさの10倍であるべきである。剪断速度が増加し、隙間が狭くなると、large 粒子が詰まりやすくなり、流動挙動を偽ることになる。