Evaluatie van de uitvloeiingseigenschappen van producten op rotatiereinigers met behulp van het Power Law-model

Inleiding

De reologische eigenschappen van een product kunnen van invloed zijn op hoe het visueel en textueel wordt waargenomen door de 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 over een groter oppervlak wordt verdeeld, zoals getoond in figuur 1. Aangezien de afschuifsnelheid gelijk is aan de aangebrachte snelheid gedeeld door de laagdikte, kan spreiding niet worden toegeschreven aan één afschuifsnelheid.

Een betere manier om de spreidbaarheid te beoordelen is door de verandering in viscositeit te karakteriseren over een bereik van afschuifsnelheden zoals getoond in figuur 2. Het gebied van belang is het gebied waar de afschuifsnelheid zich bevindt. 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.

Grafiek die de afname van de dikte van de productlaag in de loop van de tijd weergeeft, wat de spreidingsdynamiek in de materiaalanalyse benadrukt. — 1) Diagram dat aangeeft hoe de dikte van de productlaag verandert tijdens het strooien

Diagram ter illustratie van de ideale stromingscurve met viscositeitsmodellen: Cross/Carreau/Moore, Power-law en Sisko. — 2) Diagram met een ideale stromingscurve en de relevante modellen om de vorm te beschrijven

Wiskundig kan dit gebied van de stromingscurve worden beschreven met behulp van de vermogenswet of het Ostwald de Waele-model, zoals weergegeven in vergelijking 1.

Afbeelding toont een wiskundige vergelijking, σ = kγ^n, die een stromingsmodel voorstelt, waarschijnlijk gerelateerd aan materiaalgedrag in de natuurkunde of techniek.

k is de consistentie
n is de power law index
σ is de afschuifsnelheid

Consistentie heeft de eenheden van Pasn maar is numeriek gelijk aan de viscositeit gemeten bij 1 ^s-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.

Diagram dat de productconsistentie illustreert op basis van afschuifverdunning, met verschillende items zoals margarine, honing en bodylotion. — 3) Diagram dat laat zien hoe verschillende producten passen op een plot van k versus n

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 beladingsvolgorde gebruikt om ervoor te zorgen dat beide monsters onderworpen werden aan een consistent en controleerbaar beladingsprotocol.
Alle reologiemetingen werden uitgevoerd bij 25°C.
De vloeicurve werd gegenereerd met behulp van een afschuifsnelheidsaanlooptest en een power law-model dat op deze curve paste.

Resultaten en discussie

Figuur 4 toont de viscositeit-scheersnelheidscurve 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 afschuift en gemakkelijker uit te smeren is. Omgekeerd hebben siroop en chocoladesaus veel lagere k-waarden, maar ze 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 1 ^s-1, die gelijk kan staan aan een dikkere productlaag, dan is de spanning die nodig is om de stroom bij deze afschuifsnelheid in stand te houden 279 Pa voor de handcrème en 10 P a voor de siroop (σ = k bij 1 ^s-1). Bij een afschuifsnelheid van 1000 ^s-1, die betrekking zou hebben op een dunnere materiaallaag 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.

Vloeicurven tonen viscositeitsgegevens voor handcrème, bodylotion, tandpasta en siroop met modelpassingsparameters. — 4) Stroomcurves en modelfittingparameters voor verschillende monsters

Plot met modelpassingsparameters k en n voor handcrème, bodylotion, tandpasta en siroop in een wetenschappelijke analysegrafiek. — 5) Modelpassingsparameters k en n uitgezet tegen elkaar

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 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.

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.