Inleiding
Veel consumentenproducten zijn verpakt in tubes of flessen waarbij het product door een spuitstuk wordt gepompt. Dergelijke producten zijn vaak afschuifverdunnend en de viscositeit daalt tijdens het extrusieproces door de toenemende afschuifsnelheid. De afschuifsnelheid die tijdens dit proces optreedt, is gerelateerd aan de straal r van de opening en het volumedebiet Q door middel van de volgende uitdrukking:
De parameter n is de machtswetindex, die één is voor een Newtonse vloeistof en tussen 0-1 voor een niet-Newtonse vloeistof. Deze waarde kan eenvoudig worden verkregen uit een test met variabele afschuifsnelheid door een vermogensrechtmodel te passen op de resulterende gegevens.
Door de volumestroom (volume dat in een bepaalde tijd wordt afgegeven) en de inwendige straal van de opening te meten, kan de afschuifsnelheid tijdens het extrusieproces worden geschat. Deze waarde kan dan gebruikt worden in een afschuiflus-test, waarbij de afschuifsnelheid van een lage waarde (voor de extrusie) naar de gewenste afschuifsnelheid en weer naar beneden gaat. Met een dergelijke test kan de hoeveelheid spanning worden bepaald die nodig is om het product te extruderen, spuiten of gieten en de mate van viscositeitsherstel na dit proces, wat uiteindelijk de dikte van het product in gebruik zal bepalen. Dit kan worden gekwantificeerd door het ingesloten gebied tussen de opwaartse en neerwaartse curven te meten.
Experimenteel
- De extrudeereigenschappen van tandpasta en bodylotion werden geëvalueerd en vergeleken onder procesrelevante omstandigheden.
- Rotatie reometer metingen werden uitgevoerd met een Kinexus rotatie reometer met een Peltier plaat cartridge en een geruwd parallel plaat meetsysteem1, en met gebruik van standaard voorgeconfigureerde sequenties in de rSpace software.
- Er werd een standaard beladingsvolgorde gebruikt om ervoor te zorgen dat het monster onderworpen werd aan een consistent en controleerbaar beladingsprotocol.
- Alle reologiemetingen werden uitgevoerd bij 25°C.
- De relevante extrusieschuifsnelheden werden automatisch berekend als onderdeel van de testvolgorde met behulp van ingevoerde waarden van geëxtrudeerd volume, extrusietijd en openingsradius. De test werd geprogrammeerd om deze berekende waarde te gebruiken als de maximale afschuifsnelheid in een 'op en neer' afschuifsnelheidsaanloop.
- De gemeten spanning bij de berekende afschuifsnelheid en het gebied tussen de 'op en neer'-curven werden beide gerapporteerd. De eerste geeft de vereiste spanning voor extrusie weer en de tweede de mate van viscositeitsherstel (ThixotropieVoor de meeste vloeistoffen is afschuifverdunning omkeerbaar en zullen de vloeistoffen op een bepaald moment hun oorspronkelijke viscositeit terugkrijgen wanneer een schuifkracht wordt verwijderd.thixotropie) na extrusie.
Resultaten en discussie
De automatische calculator bepaalde dat de afschuifsnelheid ongeveer 2000 s-1 was voor de bodylotion en voerde daarom automatisch een afschuifsnelheidsverhoging uit tussen 0,1 s-1 en 2000 s-1 en weer terug. De resultaten in afbeelding 1 laten zien dat de viscositeit bij de representatieve afschuifsnelheid 0,143 Pas is en een toegepaste afschuifspanning (in verband met knijpen) van 274 Pa zou vereisen om het product te extruderen. Verder geeft de oppervlakteanalyse een waarde van slechts 18, wat suggereert dat het product zijn viscositeit snel zou herstellen na extrusie en dus niet thixotroop is.
Voor de tandpasta in figuur 2 werd de extrusiesnelheid berekend op ongeveer 33 s-1. De viscositeit bij de representatieve afschuifsnelheid is 19,73 Pas en zou een toegepaste afschuifspanning van 643 Pa nodig hebben om het product te extruderen. Dit materiaal lijkt thixotroop te zijn omdat het gebied tussen de bovenste en onderste curve een veel hogere waarde van 775 heeft. De lichte piek in viscositeit die aan het begin van de test voor beide monsters wordt waargenomen, is het resultaat van elastische vervorming bij het opstarten en zou voor beide producten te verwachten zijn, aangezien ze beide vloeispanningen hebben [1].
Conclusies
Een afschuifwaarde met betrekking tot de extrusie van een huidcrème uit een fles en tandpasta uit een tube werden berekend en automatisch ingevoerd in een afschuifsnelheid 'op en neer'-test. De resultaten toonden aan dat een schuifspanning van 274 Pa nodig zou zijn om de huidcrème met de gewenste snelheid te doseren en 643 Pa voor de tandpasta. Bepaling van het gebied tussen de op- en neerwaartse curve toonde aan dat de bodylotion niet thixotroop was, terwijl de tandpasta thixotroop gedrag vertoonde.
Let op ...
dat testen worden aanbevolen met kegel- en plaatgeometrie of parallelle plaatgeometrie - waarbij de laatste de voorkeur heeft voor dispersies en emulsies met large deeltjesgrootte. Voor dergelijke materiaalsoorten kan het ook nodig zijn om gekartelde of geruwde geometrieën te gebruiken om artefacten te voorkomen die te maken hebben met het wegglijden aan het geometrieoppervlak.