소개
고형분 비율이 높은 시료에 대한 전단 유변학적 측정을 수행하면 시료가 낮은 전단 속도( medium )에서도 파단되기 쉽기 때문에 회전 레오미터에서 어려움을 겪을 수 있습니다. 이 경우 시료가 지오메트리 갭의 가장자리에서 파단될 때 데이터에서 전단 응력이 갑자기 급격히 감소하는 것을 볼 수 있습니다.
이러한 영향을 받기 쉬운 농축 현탁액의 예로 치약을 들 수 있습니다. 치약은 일반적으로 연마제, 폴리머 증점제, 수성 베이스의 분산제와 향료 및 방부제로 구성됩니다. 이러한 고밀집 재료는 일반적으로 회전 전단 하에서 파손을 나타내며, 이는 응용 분야와 관련된 조건에서 성능을 평가할 때 문제가 될 수 있습니다. 치약의 경우 가공과 관련된 유동 특성을 파악하기 어려울 수 있으며, 완성된 치약이 튜브에서 칫솔로 어떻게 흘러내릴지 예측하기 어려운 경우가 많습니다.
그림 1은 일반적인 치약의 평형 흐름 곡선 프로파일을 보여줍니다. 40초-1에서 점도가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 상부 형상과 하부 형상 사이의 치약이 파단되는 것을 의미합니다.
더 작은 갭 크기를 적용할 수 있는 평행 플레이트 형상을 사용하면 샘플 파단을 지연시킬 수 있지만(전단 속도 측면에서) 완전히 제거할 수는 없습니다. 좁은 간격을 사용하는 것은 large 입자가 포함된 고충진 재료의 경우 전단 하에서 입자가 걸리지 않도록 large 충분한 간격을 사용해야 하기 때문에 실제로 해로울 수 있습니다[1].
이러한 시스템의 전단 유동 특성을 측정하는 또 다른 기법은 스퀴즈 플로우입니다. 예를 들어 평행한 플레이트 사이에 시료를 넣은 다음 일정한 속도로 간격이 좁혀질 때 시료에서 발생하는 정상 힘을 측정하는 방식입니다. 부분 벽 미끄러짐을 설명하는 방법은 Laun 등이 개발한 것으로, 갭과 정상력 데이터를 전단 응력과 전단 속도로 변환하여 전단 점도를 전단 속도의 함수로 계산할 수 있습니다(Laun, Rady, & Hassager, 1999). 설정된 갭 속도에서 사용 가능한 최대 전단 속도는 레오미터의 최대 정상력 성능에 의해 제한되지만, 시료가 가장자리 파단을 나타내는 회전 레오메트리를 사용하여 얻을 수 있는 전단 속도를 초과하는 경우가 종종 있습니다.
이 방법론은 정해진 양의 시료를 하부 지오메트리 플레이트의 중앙에 로드한 다음, 상부 플레이트를 정해진 끝 간격까지 일정한 속도로 내리는 방식입니다(그림 2 참조). 지오메트리의 하향 이동에 저항하는 샘플에 의해 생성된 상향 힘과 해당 간격은 시간의 함수로 측정됩니다.
실험적
- 치약의 스퀴즈 흐름 거동은 2mm/s 및 10mm/s의 갭 속도에서 평가되었습니다.
- 측정은 펠티에 플레이트 카트리지가 장착된 키넥서스 회전 레오미터와 60mm 평행 플레이트 측정 시스템을 사용하여 1g의 치약 시료에 대해 수행되었으며, 키넥서스용 rSpace 소프트웨어의 스퀴즈 흐름 시퀀스를 활용했습니다.
- 비교 회전 유량 곡선 데이터는 1mm 간격의 40mm 거친 평행판을 사용하여 사전 구성된 표준 rSpace 시퀀스를 사용하여 생성되었습니다.
- 모든 측정은 25°C의 온도에서 수행되었습니다.
- 시료 질량은 1.3g/cm3의 치약 밀도를 사용하여 부피로 변환했습니다.
결과 및 토론
갭 속도가 2mm/s인 치약의 갭 및 일반 힘 프로파일은 그림 3에 나와 있습니다. 간격을 나타내는 파란색 선은 상부 지오메트리 플레이트가 시료에 접근하는 것을 보여줍니다. 플레이트가 샘플과 접촉함에 따라 직경이 커지는 압축 실린더를 형성하고 정상 힘을 나타내는 빨간색 선이 증가하기 시작합니다. 상부 지오메트리가 정의된 엔드 갭에 도달하면 압착이 멈추면서 압축력이 일정해집니다.
그런 다음 정상 힘 및 갭 데이터는 측정 작업이 끝날 때 방정식 [1] 및 [2]를 사용하여 각각 전단 응력 및 전단 속도로 자동 변환됩니다. 그런 다음 전단 점도는 결과 전단 응력을 해당 전단 속도로 나누어 계산합니다.
2mm/s의 갭 속도를 사용하여 스퀴즈 흐름 데이터에서 생성된 결과 흐름 곡선은 그림 4에 나와 있습니다. 이 차트는 시료 흐름 거동 측면에서 세 가지 뚜렷한 영역을 보여줍니다. 약 7초-1까지는 압축력이 증가하기 시작하면서 시료가 막 흐르기 시작하고, 7초-1부터는 시료가 흐르면서 점도 프로파일에 기울기 변화가 나타나며, 압축력이 최대에 도달하고 시료 흐름이 멈추면서 150초-1 이상에서 추가적인 기울기 변화가 발생합니다. 따라서 측정에서는 일정한 시료 흐름의 데이터만 활용됩니다.
새로운 1g의 치약에 대해 스퀴즈 유량 테스트를 반복하고 이번에는 10mm/s의 간격 속도를 사용했습니다. 그림 5에는 2mm/s 및 10mm/s 데이터의 비교와 함께 기존의 회전 유변학으로 얻은 평형 유량 데이터가 나와 있습니다.
스퀴즈 유량 데이터가 회전 데이터와 매우 잘 일치하여 회전 측정의 경우 전단 속도가 최대 20초-1에서 스퀴즈 유량 측정의 경우 700초-1까지 확장되는 것을 볼 수 있습니다. 물론 여기에 표시된 것과는 다른 샘플이 스퀴즈 플로우 기법에 더 적합하거나 덜 적합할 수 있으므로 새로운 분석에는 시험 측정을 권장합니다.
결론
고급 축 방향 테스트 기능을 갖춘 키넥서스 회전 레오미터는 스퀴즈 플로우 기법을 사용하여 파손되기 쉬운 농축 현탁액의 측정 가능한 전단 속도 범위를 확장하는 데 사용할 수 있습니다. 스퀴즈 유량 측정으로 얻은 치약의 점도는 기존의 회전 레오미터와 비슷한 데이터를 제공했으며 전단 속도 범위를 거의 두 배로 확장했습니다.
각주
[1] 간격의 크기는 최대 입자 크기의 10배가 되어야 입자 사이에 자유롭게 움직일 수 있는 충분한 여유 공간이 생깁니다. 전단 속도가 증가하고 간격이 좁아지면 large 입자가 서로 끼어 흐름 동작이 왜곡되는 경향이 있습니다.