소개
올바른 기능적 특성과 감각적 특성을 모두 갖춘 제품을 만드는 것은 어려운 작업일 수 있습니다. 특히 후자는 사용자 피드백에 크게 의존하는데, 이를 얻기 위해서는 상당한 시간과 노력이 필요할 수 있습니다. 또한 이러한 피드백을 재료 특성 및 유변학적 데이터의 맥락에서 해석하는 것이 항상 쉬운 것은 아닙니다.
유변학을 제품 질감을 평가하는 도구로 사용하려면 특정 용도에 가장 적합한 유변학 테스트 모드와 해당 테스트에 사용할 가장 적절한 매개변수를 이해하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 스킨 크림을 바르고 문지르는 것은 전단 속도가 높은 공정으로, 적절한 전단 속도에서 일정한 전단 테스트를 사용하여 가장 잘 평가할 수 있습니다. 냄비의 텍스처와 반대로 텍스처는 진동 테스트 또는 크리프 테스트를 통해 가장 잘 평가되는 기본 미세 구조와 관련이 있습니다.
small 변형 상태에서 재료 텍스처를 평가하는 간단한 테스트는 진동 진폭 스윕입니다. 이는 샘플 강성, 탄성, 구조적 강도 및 변형과 관련된 중요한 정보를 제공할 수 있습니다. 강성은 복소 계수 G*에 반영되며 값이 클수록 구조가 더 단단하다는 것을 나타내며, 위상각 δ는 구조의 탄성 정도, 즉 탄성을 나타냅니다. 이 정보는 그림 1에 표시된 것처럼 G* 대 δ의 간단한 플롯을 사용하여 표시할 수 있습니다.
이러한 테스트에서 추출할 수 있는 다른 정보로는 각각 구조적 강도 및 구조적 변형 정도와 관련된 항복 응력 및 항복 변형률이 있습니다. 이 정보는 탄성 응력 σ'(탄성(또는 저장) 계수 G')와 변형률의 플롯에서 얻을 수 있습니다. 탄성 응력의 피크는 항복점을 나타내며, 이 지점에서 측정된 응력과 변형률의 값은 그림 2와 같이 각각 항복 응력 및 항복 변형률입니다.
이 모든 정보를 결합하면 거시적 흐름이 시작되기 전에 재료가 small 전단 변형에 어떻게 반응할지 파악할 수 있습니다.
이는 제품을 벤치마킹하거나 특정 감각적 특성 또는 기능적 이점을 제품에 설계하는 데 유용할 수 있습니다.
실험적
- 다양한 제품을 평가하여 텍스처 특성 측면에서 제품 간 차이를 확인했습니다.
- 회전 레오미터 측정은 펠티에 플레이트 카트리지와 40mm 거친 평행 플레이트 측정 시스템(지오메트리 표면에서 샘플 미끄러짐 방지)2이 장착된 키넥서스 레오미터를 사용하고 rSpace 소프트웨어에서 사전 구성된 표준 시퀀스를 활용하여 수행했습니다.
- 시료가 일관되고 제어 가능한 로딩 프로토콜을 따르도록 하기 위해 표준 로딩 시퀀스를 사용했습니다.
- 모든 유변학 측정은 명시되지 않는 한 25°C에서 수행되었습니다.
- 측정에는 재료의 항복 변형률을 초과하는 변형률 제어 진폭 스윕을 수행하고 데이터를 자동으로 분석하여 선형 영역 내의 G* 및 δ 값과 탄성 응력(σ')의 피크를 기준으로 항복 응력 및 항복 변형률 값을 제공하는 것이 포함되었습니다.
결과 및 토론
그림 3은 1Hz 주파수에서 상대 강성 및 탄성 측면에서 다양한 제품을 비교한 것입니다. 이 차트에서 대부분의 샘플은 위상각이 45º보다 낮은 탄성을 주로 가지고 있음을 알 수 있습니다. 그러나 이 샘플들은 다양한 정도의 강성을 보여주며, 예를 들어 바디버터는 바디로션보다 25배 더 강하고(높은 계수), 헤어 껌은 거의 100배 더 뻣뻣합니다. 반대로 샤워 크림은 90°에 가까운 위상각과 상대적으로 낮은 강성으로 주로 액체와 같은 질감으로, 바디 버터의 약 8000 Pa에 비해 G* 값은 23 Pa에 불과합니다.
온도가 버터 질감에 미치는 영향은 매우 중요한데, 저온(냉장고)에서 지방 결정화는 딱딱하고 탄성이 높은 구조를 형성하는 반면 상온에서는 이 지방 매트릭스가 녹으면서 부드럽고 탄성이 낮은 구조가 되어 바디 버터 제품 및 치약과 질감이 더 유사해집니다.
표 1은 다양한 제품에 대한 항복 응력 및 항복 변형률의 해당 값을 보여줍니다. 항복 응력은 본질적으로 네트워크 구조의 파괴를 시작하는 데 필요한 응력을 나타냅니다. 점탄성 유체(δ > 45º)는 네트워크 구조를 갖지 않으므로 이 경우 항복 응력은 상당한 흐름(전단 박리)을 시작하는 데 필요한 응력과 관련이 있습니다.
표 1: 응력-변형률 곡선의 피크 분석 결과
| 샘플 | 항복 응력(Pa) | 수율 변형률(%) |
|---|---|---|
| 마요네즈 | 11.26 | 1.79 |
| 치약 | 1.86 | 0.057 |
| 바디 버터 | 15.87 | 0.81 |
| 바디 로션 | 2.24 | 2.63 |
| 샤워 크림 | 10.18 | 27.22 |
| 헤어 스타일링 껌 | 11.12 | 0.15 |
| 버터(5°C) | 34000 | 1.06 |
| 버터(25°C) | 1.12 | 0.096 |
바디 버터와 바디 로션을 비교하면 전자가 구조를 분해하는 데 더 높은 스트레스가 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 이는 제품 사용 중에 분명하게 드러나는데, 바디 버터는 흐름을 시작하기 위해 더 큰 힘이 필요합니다. 바디 로션은 수율 변형률이 더 높고 얇아지기 전에 더 많이 변형되어 더 연성이 높고 덜 부서지기 쉬운 구조를 나타냅니다. 탄성이 지배적인 마요네즈는 항복 응력과 항복 변형률이 모두 높아 병에서 관찰되는 '고무 질감'을 반영합니다.
바디워시는 높은 임계 응력과 변형률을 보이지만 마요네즈와 달리 네트워크 구조(δ > 45º)를 가지고 있지 않습니다. 따라서 이러한 임계값은 흐름이 크게 향상되기 전에 재료가 견딜 수 있는 응력 및 변형과 관련이 있습니다. 이는 때때로 필라멘트 형성 정도 또는 제품의 끈적임과 관련이 있을 수 있습니다.
냉장고 온도에서 버터는 항복 응력이 매우 높기 때문에 확산이 어려울 수 있지만, 25°C에서는 결정성 지방 매트릭스가 녹으면서 항복 응력이 현저히 떨어질 수 있습니다. 흥미롭게도 버터는 이 높은 온도에서 더 부서지기 쉬운데, 이는 항복 응력이 더 작아지는 것으로 나타났습니다.
결론
진폭 스윕 테스트는 강성, 탄성, 구조적 강도 및 취성과 같은 재료의 텍스처 특성과 관련된 중요한 정보를 제공할 수 있습니다. 이러한 특성과 관련된 파라미터를 측정함으로써 small 변형 시 소재의 모양과 동작에 대한 그림을 그릴 수 있습니다. 이러한 기법은 적절한 소재를 특성화하고 비교하는 데 유용합니다.
테스트는 원뿔 및 플레이트 또는 평행 플레이트 지오메트리로 수행하는 것이 좋으며, 입자 크기가 large 인 분산액 및 에멀젼의 경우 후자가 선호된다는 점에 유의하세요. 이러한 재료 유형은 지오메트리 표면의 미끄러짐과 관련된 아티팩트를 방지하기 위해 톱니 모양 또는 거친 지오메트리를 사용해야 할 수도 있습니다.