Inleiding
Het uitvoeren van shear reologische metingen op monsters met een hoge vaste stof fractie kan problemen opleveren op een roterende reometer, omdat het monster kan breken, zelfs bij lage tot medium afschuifsnelheden. Wanneer dit gebeurt, is er een plotselinge, scherpe afname in schuifspanning te zien in de gegevens wanneer het monster breekt aan de rand van de geometrische spleet.
Een voorbeeld van een geconcentreerde suspensie die gevoelig is voor dergelijke effecten is tandpasta. Tandpasta bestaat over het algemeen uit een schuurmiddel, een polymeer verdikkingsmiddel en een dispergeermiddel in een waterige basis, samen met smaakstoffen en conserveringsmiddelen. Dergelijke sterk verpakte materialen vertonen meestal breuken onder rotatieschuifkrachten, wat problematisch kan zijn bij het beoordelen van de prestaties onder omstandigheden die relevant zijn voor de toepassing. In het geval van tandpasta kan het moeilijk zijn om de stromingseigenschappen te bepalen die relevant zijn voor de verwerking en is het vaak moeilijk om te voorspellen hoe de afgewerkte tandpasta uit de tube op de tandenborstel zal stromen.
Figuur 1 toont een evenwichtsstroomcurveprofiel voor een typische tandpasta. Let op de scherpe afname van de viscositeit bij 40 s-1, wat overeenkomt met het breken van de tandpasta tussen de bovenste en onderste geometrie.
Het breken van het monster kan worden vertraagd (in termen van afschuifsnelheid) door het gebruik van een parallelle plaatgeometrie, die de toepassing van een kleinere spleetgrootte mogelijk maakt, maar het kan niet volledig worden geëlimineerd. Het gebruik van een smalle spleet kan zelfs nadelig zijn in het geval van hooggevulde materialen met large deeltjes, omdat het nodig is om een spleet te gebruiken die large groot genoeg is om te voorkomen dat de deeltjes vastlopen onder afschuiving[1].
Een alternatieve techniek voor het meten van de schuifstromingseigenschappen van dergelijke systemen is squeeze flow. Hierbij wordt een monster tussen parallelle platen geladen en wordt vervolgens de normaalkracht gemeten die door het monster wordt gegenereerd als de spleet zich sluit met een constante snelheid. Laun et al. (Laun, Rady, & Hassager, 1999) hebben een methode ontwikkeld die rekening houdt met gedeeltelijke wandglijting om de gegevens over de spleet en de normaalkracht om te zetten in schuifspanning en schuifsnelheid, zodat de schuifviscositeit kan worden berekend als functie van de schuifsnelheid. De maximale afschuifsnelheid die beschikbaar is bij een ingestelde openingssnelheid wordt beperkt door de maximale normaalkracht van de reometer, maar kan vaak hoger zijn dan de afschuifsnelheid die haalbaar is met roterende reometrie als het monster randbreuk vertoont.
De methodologie is zodanig dat een gedefinieerd volume monster wordt geladen in het midden van de onderste geometrische plaat en vervolgens wordt de bovenste plaat met een constante snelheid neergelaten tot een gedefinieerde eindspleet, zie figuur 2. De opwaartse kracht die door het monster wordt gegenereerd is afhankelijk van de grootte van het monster. De opwaartse kracht die wordt gegenereerd door het monster en die de neerwaartse beweging van de geometrie en de bijbehorende opening weerstaat, wordt gemeten als functie van de tijd.
Experimenteel
- Het stromingsgedrag van tandpasta werd geëvalueerd bij openingssnelheden van 2 mm/s en 10 mm/s.
- Er werden metingen uitgevoerd op aliquots tandpasta van 1 g, met een Kinexus rotationele reometer met een Peltier-plaatcartridge en een 60 mm parallelplaatmeetsysteem, waarbij gebruik werd gemaakt van een knijpstroomsequentie in de rSpace voor Kinexus-software.
- Vergelijkende gegevens over de rotatievloeicurve werden gegenereerd met een geruwde parallelle plaat van 40 mm met een tussenruimte van 1 mm en met een standaard voorgeconfigureerde rSpace volgorde.
- Alle metingen werden uitgevoerd bij een temperatuur van 25°C.
- De massa van het monster werd omgezet naar volume met behulp van een DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van tandpasta van 1,3 g/cm3.
Resultaten en discussie
Een spleet- en normaalkrachtprofiel voor tandpasta, met een openingssnelheid van 2 mm/s, wordt getoond in figuur 3. De blauwe lijn, die de spleet weergeeft, toont de nadering van de plaat met de bovenste geometrie naar het monster. Wanneer de plaat in contact komt met het monster, vormt deze een samengedrukte cilinder met toenemende diameter en begint de rode lijn, die de normaalkracht weergeeft, toe te nemen. Wanneer de bovenste geometrie de gedefinieerde eindspleet bereikt, wordt de drukkracht constant omdat het samendrukken stopt.
De gegevens over de normaalkracht en de spleet worden aan het einde van de meting automatisch omgezet in respectievelijk schuifspanning en schuifsnelheid met behulp van vergelijkingen [1] en [2]. De afschuifviscositeit wordt dan berekend door de resulterende afschuifspanning te delen door de overeenkomstige afschuifsnelheid.
De resulterende stromingscurve die is gegenereerd uit de gegevens van de knijpstroming met een openingssnelheid van 2 mm/s wordt getoond in figuur 4. Deze grafiek toont drie verschillende gebieden in termen van het stromingsgedrag van het monster; tot ongeveer 7 s-1 begint het monster net te stromen als de drukkrachten beginnen toe te nemen; vanaf 7 s-1 vertoont het viscositeitsprofiel een gradiëntverandering als het monster begint te stromen; een verdere gradiëntverandering treedt op boven 150 s-1 als de drukkrachten een maximum bereiken en het stromen van het monster stopt. Als zodanig worden alleen de gegevens van constante monsterdoorstroming gebruikt voor de meting.
De knijpstromingstest werd herhaald voor een vers aliquot tandpasta van 1 g en dit keer met een knevelsnelheid van 10 mm/s. Een vergelijking van de gegevens van zowel 2 als 10 mm/s wordt getoond in Figuur 5, samen met de evenwichtsvloeigegevens verkregen met traditionele rotatie reometrie.
Het is te zien dat de gegevens van de knijpstroming zeer goed overeenkomen met de roterende gegevens, waarbij de afschuifsnelheid wordt uitgebreid van maximaal 20 s-1 voor roterende metingen tot 700 s-1 voor knijpstromingsmetingen. Natuurlijk kunnen verschillende monsters meer of minder geschikt zijn voor de squeeze flow techniek dan hier getoond, vandaar dat proefmetingen worden aanbevolen voor elke nieuwe analyse.
Conclusie
Een Kinexus rotatie reometer met geavanceerde axiale testmogelijkheden kan gebruikt worden om het meetbare afschuifbereik van geconcentreerde suspensies, die gevoelig zijn voor breuk, uit te breiden door gebruik te maken van de squeeze flow-techniek. Berekende viscositeiten voor tandpasta verkregen door squeeze flow metingen gaven vergelijkbare gegevens als traditionele rotatie reometrie en breidde het afschuifbereik uit met bijna twee orden van grootte.
Voetnoot
[1] De grootte van de spleet moet 10 x de grootte van het maximale deeltje zijn, zodat er genoeg vrije ruimte is tussen de deeltjes om ze vrij te laten bewegen. Bij toenemende afschuifsnelheid en een smalle spleet hebben large deeltjes de neiging om samen te klonteren, waardoor het stromingsgedrag wordt vervalst.