Wprowadzenie
Wiele produktów konsumenckich jest pakowanych w tubki lub butelki, w których aplikacja produktu polega na pompowaniu produktu przez dyszę. Takie produkty są zwykle produktami rozrzedzanymi ścinaniem, w których lepkość spada podczas procesu wytłaczania z powodu rosnącej szybkości ścinania, a następnie wraca do normy po wyjściu z dyszy, gdy szybkość ścinania jest zmniejszona. Szybkość ścinania napotkana podczas tego procesu jest związana z promieniem r kryzy i objętościowym natężeniem przepływu Q za pomocą następującego wyrażenia:
Parametr n to wskaźnik prawa potęgowego, który wynosi jeden dla cieczy newtonowskiej i od 0 do 1 dla cieczy nienewtonowskiej. Wartość tę można łatwo uzyskać z testu zmiennej szybkości ścinania poprzez dopasowanie modelu prawa potęgowego do uzyskanych danych.
Mierząc objętościowe natężenie przepływu (objętość dozowaną w danym czasie) i wewnętrzny promień kryzy, można oszacować szybkość ścinania napotkaną podczas procesu wytłaczania. Wartość ta może być następnie wykorzystana w teście pętli szybkości ścinania, w którym szybkość ścinania wzrasta od niskiej wartości (przed wytłaczaniem) do szybkości ścinania będącej przedmiotem zainteresowania i z powrotem w dół. Taki test pozwala określić wielkość naprężenia wymaganego do wytłaczania, natryskiwania lub wylewania produktu oraz zakres odzyskiwania lepkości po tym procesie, co ostatecznie określi grubość używanego produktu. Można to określić ilościowo, mierząc obszar zamknięty między krzywymi w górę i w dół.
Eksperymentalny
- Oceniono i porównano właściwości pasty do zębów i balsamu do ciała w warunkach istotnych dla procesu.
- Pomiary reometrem rotacyjnym wykonano przy użyciu reometru rotacyjnego Kinexus z wkładem z płytką Peltiera i systemem pomiarowym z równoległą płytką chropowatą1 oraz przy użyciu standardowych, wstępnie skonfigurowanych sekwencji w oprogramowaniu rSpace.
- Zastosowano standardową sekwencję ładowania, aby zapewnić, że próbka podlega spójnemu i kontrolowanemu protokołowi ładowania.
- Wszystkie pomiary reologiczne przeprowadzono w temperaturze 25°C.
- Odpowiednie szybkości ścinania podczas wytłaczania zostały automatycznie obliczone jako część sekwencji testowej przy użyciu wprowadzonych wartości wytłaczanej objętości, czasu wytłaczania i promienia apertury. Test został zaprogramowany tak, aby użyć tej obliczonej wartości jako maksymalnej szybkości ścinania w rampie szybkości ścinania "w górę, a następnie w dół".
- Zmierzone naprężenie przy obliczonej szybkości ścinania i obszar pomiędzy krzywymi "w górę i w dół" zostały zgłoszone. Pierwsza z nich określa wymaganą wartość naprężenia dla wytłaczania, a druga określa zakres odzyskiwania lepkości (tiksotropii) po wytłaczaniu.
Wyniki i dyskusja
Automatyczny kalkulator określił szybkość ścinania na około 2000 s-1 dla balsamu do ciała i dlatego automatycznie wykonał rampę szybkości ścinania od 0,1 s-1 do 2000 s-1 i z powrotem. Wyniki pokazane na rysunku 1 pokazują, że lepkość przy reprezentatywnej szybkości ścinania wynosi 0,143 Pas i wymagałaby przyłożonego naprężenia ścinającego (związanego z wyciskaniem) 274 Pa do wytłaczania produktu. Co więcej, analiza powierzchni daje wartość zaledwie 18, co sugeruje, że produkt szybko odzyskałby swoją lepkość po wytłaczaniu, a zatem nie jest tiksotropowy.
W przypadku pasty do zębów pokazanej na rysunku 2, szybkość ścinania podczas wytłaczania obliczono na około 33 s-1. Lepkość przy reprezentatywnej szybkości ścinania wynosi 19,73 Pas i wymagałaby przyłożonego naprężenia ścinającego 643 Pa do wytłaczania produktu. Materiał ten wydaje się być tiksotropowy, ponieważ obszar między górną i dolną krzywą ma znacznie wyższą wartość 775. Niewielki szczyt lepkości zaobserwowany na początku testu dla obu próbek jest wynikiem odkształcenia sprężystego podczas rozruchu i można się go spodziewać dla obu tych produktów, ponieważ oba mają granicę plastyczności [1].
Wnioski
Wartość szybkości ścinania odnosząca się do wyciskania kremu do skóry z butelki i pasty do zębów z tubki została obliczona i automatycznie wprowadzona do testu rampy szybkości ścinania "w górę i w dół". Wyniki pokazały, że naprężenie ścinające o wartości 274 Pa byłoby potrzebne do dozowania kremu do skóry z pożądaną szybkością i 643 Pa dla pasty do zębów. Określenie obszaru pomiędzy krzywymi w górę i w dół wykazało, że balsam do ciała nie był tiksotropowy, podczas gdy pasta do zębów wykazywała zachowanie tiksotropowe.
Uwaga...
zaleca się, aby testy były przeprowadzane przy użyciu geometrii stożkowej i płytowej lub równoległej - przy czym ta ostatnia jest preferowana w przypadku dyspersji i emulsji o rozmiarach cząstek large. Takie rodzaje materiałów mogą również wymagać zastosowania ząbkowanej lub chropowatej geometrii, aby uniknąć artefaktów związanych z poślizgiem na powierzchni geometrii.