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병, 튜브 또는 스프레이 팩에서 제품 전달 특성 평가하기

소개

많은 소비자 제품은 튜브나 병에 포장되어 있으며, 노즐을 통해 제품을 펌핑하는 방식으로 제품을 적용합니다. 이러한 제품은 전단 속도가 증가하여 압출 공정 중에 점도가 떨어졌다가 전단 속도가 감소함에 따라 노즐에서 빠져나오면 점도가 회복되는 전단 박화 제품인 경향이 있습니다. 이 과정에서 발생하는 전단 속도는 오리피스의 반경, r 및 체적 유량 Q와 다음 식에 의해 관련됩니다:

매개변수 n은 뉴턴 유체의 경우 1, 비뉴턴 유체의 경우 0-1 사이의 값인 파워 법칙 지수입니다. 이 값은 가변 전단 속도 테스트에서 결과 데이터에 파워 법칙 모델을 맞춤으로써 쉽게 얻을 수 있습니다.

체적 유량(주어진 시간에 분배되는 부피)과 오리피스의 내부 반경을 측정하여 압출 공정 중에 발생하는 전단 속도를 추정할 수 있습니다. 그런 다음 이 값을 전단 속도 루프 테스트에 사용하여 전단 속도를 낮은 값(압출 전)에서 관심 전단 속도까지 올렸다가 다시 낮추는 방식으로 전단 속도를 높일 수 있습니다. 이러한 테스트를 통해 제품을 압출, 스프레이 또는 붓는 데 필요한 응력의 양과 이 공정 후 점도가 회복되는 정도를 결정할 수 있으며, 이는 궁극적으로 사용 중인 제품의 두께를 결정합니다. 이는 위쪽과 아래쪽 곡선 사이의 밀폐된 면적을 측정하여 정량화할 수 있습니다.

실험적

  • 치약과 바디 로션의 압출 특성을 공정 관련 조건에서 평가하고 비교했습니다.
  • 회전 레오미터 측정은 펠티에 플레이트 카트리지와 거친 평행 플레이트 측정 시스템1이 장착된 키넥서스 회전 레오미터를 사용하고 rSpace 소프트웨어에서 사전 구성된 표준 시퀀스를 사용하여 수행했습니다.
  • 시료가 일관되고 제어 가능한 로딩 프로토콜을 따르도록 하기 위해 표준 로딩 시퀀스를 사용했습니다.
  • 모든 유변학 측정은 25°C에서 수행되었습니다.
  • 관련 압출 전단 속도는 압출 부피, 압출 시간 및 개구 반경의 입력 값을 사용하여 테스트 시퀀스의 일부로 자동으로 계산되었습니다. 테스트는 이 계산된 값을 '상향 후 하향' 전단 속도 램프에서 최대 전단 속도로 사용하도록 프로그래밍되었습니다.
  • 계산된 전단 속도에서 측정된 응력과 '위아래' 곡선 사이의 면적이 모두 보고되었습니다. 전자는 압출에 필요한 응력을, 후자는 압출 후 점성 회복(요변성)의 정도를 나타냅니다.

결과 및 토론

자동 계산기는 바디 로션의 전단 속도를 약 2000초-1로 결정하고 0.1초-1에서 2000초-1 사이의 전단 속도 램프를 자동으로 수행했다가 다시 되돌려 놓았습니다. 그림 1에 표시된 결과는 대표 전단 속도에서 점도가 0.143Pas이며 제품을 압출하려면 274Pa의 전단 응력(압착과 관련된)이 필요하다는 것을 보여줍니다. 또한 면적 분석 결과 값은 18에 불과하여 압출 후 제품이 점도를 빠르게 회복하므로 비요변성이라는 것을 시사합니다.

그림 2에 표시된 치약의 경우 압출 전단 속도는 약 33초-1로 계산되었습니다. 대표 전단 속도에서의 점도는 19.73 Pas이며 제품을 압출하려면 643 Pa의 전단 응력이 가해져야 합니다. 이 재료는 위쪽과 아래쪽 곡선 사이의 영역이 775로 훨씬 높은 값을 가지므로 요변성인 것으로 보입니다. 두 샘플 모두 테스트 시작 시 관찰된 점도의 약간의 피크는 시작 시 탄성 변형의 결과이며, 두 제품 모두 항복 응력이 있기 때문에 이러한 현상이 나타날 것으로 예상됩니다[1].

1) 압출 전단 속도까지 전단되었다가 다시 내려가는 바디 로션의 흐름 곡선
2) 치약이 압출 전단 속도까지 전단되었다가 다시 내려가는 흐름 곡선

결론

병에서 스킨 크림을 추출하는 것과 튜브에서 치약을 추출하는 것과 관련된 전단 속도 값을 계산하여 전단 속도 램프 ´업 및 다운´ 테스트에 자동으로 입력했습니다. 그 결과 스킨 크림을 원하는 속도로 추출하려면 274 Pa의 전단 응력이 필요하고 치약을 추출하려면 643 Pa의 전단 응력이 필요한 것으로 나타났습니다. 위아래 곡선 사이의 면적을 측정한 결과 바디 로션은 비요변성인 반면 치약은 요변성 거동을 보였습니다.

참고하세요...

원뿔 및 판 또는 평행 판 형상으로 테스트를 수행하는 것이 좋으며, 입자 크기가 large 인 분산액 및 에멀젼의 경우 후자가 선호됩니다. 이러한 재료 유형은 지오메트리 표면의 미끄러짐과 관련된 아티팩트를 방지하기 위해 톱니 모양 또는 거친 지오메트리를 사용해야 할 수도 있습니다.

Literature

  1. [1]
    백서 - 수율 스트레스 측정의 이해, NETZSCH