Inleiding
De reologische eigenschappen van een product kunnen van invloed zijn op hoe het visueel en textueel wordt waargenomen door een consument en hoe het product zich waarschijnlijk zal gedragen tijdens het gebruik. Materialen met een hoge SchuifverdunningHet meest voorkomende type niet-Newtons gedrag is afschuifverdunning of pseudoplastische stroming, waarbij de vloeistofviscositeit afneemt bij toenemende afschuiving.afschuifverdunning reageren bijvoorbeeld zeer goed op veranderingen in toegepaste spanning, terwijl Newtonse materialen veel minder afhankelijk zijn. Zo'n reactie is belangrijk als je kijkt naar het gemak van het uitsmeren of de 'smeerbaarheid'.
Het spreidproces veroorzaakt een consequente vermindering van de laagdikte omdat deze wordt verdeeld over een groter oppervlak zoals getoond in figuur 1. Aangezien de afschuifsnelheid gelijk is aan de toegepaste snelheid gedeeld door de laagdikte, kan spreiding daarom niet worden toegeschreven aan één afschuifsnelheid.
Een betere manier om de smeerbaarheid te beoordelen is door de verandering in viscositeit te karakteriseren over een bereik van afschuifsnelheden zoals getoond in figuur 2. Het gebied dat van belang is, is het gebied van de SchuifverdunningHet meest voorkomende type niet-Newtons gedrag is afschuifverdunning of pseudoplastische stroming, waarbij de vloeistofviscositeit afneemt bij toenemende afschuiving.afschuifverdunning of vermogenswet, omdat dit beschrijft hoe gemakkelijk de materiaalstructuur afbreekt bij toegepaste afschuiving. Dit gebied lijkt lineair op een log-log plot van viscositeit versus afschuifsnelheid met een constante gradiënt, maar vertoont een afhankelijkheid van de machtswet als het op een lineaire schaal wordt uitgezet.
Wiskundig gezien kan dit gebied van de stromingscurve worden beschreven met behulp van de vermogenswet of het Ostwald de Waele-model, zoals weergegeven in vergelijking 1. De stromingscurve kan worden beschreven met behulp van de vermogenswet of het Ostwald de Waele-model.
? = ??̇?
k is de consistentie
n is de power law index
σ is de schuifspanning
?̇ is de schuifsnelheid
Consistentie heeft de eenheden van Pasn maar is numeriek gelijk aan de viscositeit gemeten bij 1s-1. De power law index varieert van 0 voor zeer sterk afschuivende materialen tot 1 voor Newtonse materialen. Hoe lager de vereiste spanningsinput, hoe gemakkelijker het materiaal zich zou moeten verspreiden. Een lagere waarde van k betekent een lagere viscositeit en dus een lagere spanningsinput, terwijl een lagere waarde van n wijst op een grotere SchuifverdunningHet meest voorkomende type niet-Newtons gedrag is afschuifverdunning of pseudoplastische stroming, waarbij de vloeistofviscositeit afneemt bij toenemende afschuiving.afschuifverdunning die zich vertaalt in een kleinere spanningsverhoging bij toenemende afschuifsnelheid.
Deze informatie kan worden weergegeven in een grafiek zoals in Figuur 3. Materialen met lage k-waarden en/of lage n-waarden kunnen het gemakkelijkst worden uitgesmeerd.
Experimenteel
- De smeerbaarheid van een aantal consumentenproducten werd geëvalueerd door een shear rate ramp test uit te voeren en de resulterende curve te analyseren met behulp van een power law model.
- Rotatie reometer metingen werden uitgevoerd met een Kinexus rotatie reometer met een Peltier platencartridge en een geruwd parallel plaat meetsysteem1, en met gebruik van standaard voorgeconfigureerde sequenties in de rSpace software.
- Er werd een standaard laadvolgorde gebruikt om ervoor te zorgen dat beide monsters onderworpen werden aan een consistent en controleerbaar laadprotocol.
- Alle reologiemetingen werden uitgevoerd bij 25°C.
- Er werd een vloeicurve gegenereerd met behulp van een shear rate ramp-test en er werd een power law-model op deze curve gepast.
Resultaten en discussie
Figuur 4 toont de viscositeit-schuifsnelheidscurve voor een aantal commerciële producten en de bijbehorende aanpassingsparameters, met een grafische presentatie van de laatste in figuur 5.
Hoewel tandpasta en handcrème vergelijkbare k-waarden hebben, heeft handcrème een veel lagere n-waarde waardoor het meer afschuifverdunnend is en gemakkelijker uit te smeren. Stroop en chocoladesaus hebben daarentegen veel lagere k-waarden, maar zijn niet afschuifverdunnend waardoor ze dik en kleverig lijken tijdens het aanbrengen. De bodylotion heeft zowel een relatief lage k- als n-waarde waardoor het veel gemakkelijker aan te brengen is.
Om de vereiste spanning voor het uitsmeren van respectievelijk een handcrème en siroop bij gelijke afschuifsnelheden kwantitatief te vergelijken, kunnen de waarden van n en k in vergelijking 1 worden gesubstitueerd. Als we uitgaan van een enkele afschuifsnelheid van 1s-1, wat kan overeenkomen met een dikkere productlaag, is de spanning die nodig is om de stroom bij deze afschuifsnelheid in stand te houden 279 Pa voor de handcrème en 10 Pa voor de siroop (σ = k bij 1s-1). Bij een afschuifsnelheid van 1000s-1, die betrekking zou hebben op een dunnere laag materiaal als gevolg van het spreidproces, neemt de vereiste spanning toe tot 734 Pa voor de handcrème en 10.000 Pa voor de siroop. Dit benadrukt het belang van niet-Newtons gedrag in het spreidproces.
Conclusie
Een afschuifsnelheid ramp test met een power law model fit werd gebruikt om de smeerbaarheid van verschillende commerciële producten te karakteriseren met behulp van de power law fitting parameters k en n. Lage waarden van k en n duiden respectievelijk op een lagere viscositeit en een grotere mate van SchuifverdunningHet meest voorkomende type niet-Newtons gedrag is afschuifverdunning of pseudoplastische stroming, waarbij de vloeistofviscositeit afneemt bij toenemende afschuiving.afschuifverdunning, wat bijdraagt aan een gemakkelijkere verspreiding.
1Letop: het wordt aanbevolen om testen uit te voeren 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.