Wprowadzenie
Wykonywanie pomiarów reologicznych ścinania na próbkach o wysokiej zawartości ciał stałych może sprawiać trudności na reometrze rotacyjnym, ponieważ próbka może być podatna na pękanie nawet przy niskich prędkościach ścinania medium. W takim przypadku nagły, gwałtowny spadek naprężenia ścinającego jest widoczny w danych, gdy próbka pęka na krawędzi szczeliny geometrycznej.
Przykładem skoncentrowanej zawiesiny podatnej na takie efekty jest pasta do zębów. Pasty do zębów zazwyczaj składają się ze ścierniwa, polimerowego zagęszczacza i dyspergatora w wodnej bazie, wraz z aromatami i konserwantami. Takie wysoce upakowane materiały zazwyczaj wykazują pękanie pod wpływem ścinania obrotowego, co może być problematyczne przy ocenie wydajności w warunkach istotnych dla danego zastosowania. W przypadku past do zębów określenie charakterystyki przepływu istotnej dla przetwarzania może być trudne i często trudno jest przewidzieć, w jaki sposób gotowa pasta do zębów wypłynie z tubki na szczoteczkę do zębów.
Rysunek 1 przedstawia profil krzywej przepływu równowagi dla typowej pasty do zębów. Zwróć uwagę na gwałtowny spadek lepkości przy 40 s-1, odpowiadający pęknięciu pasty do zębów między górną i dolną geometrią.
Pęknięcie próbki może zostać opóźnione (pod względem szybkości ścinania) poprzez zastosowanie równoległej geometrii płyty, co pozwala na zastosowanie smallwiększej wielkości szczeliny, ale nie można go całkowicie wyeliminować. Zastosowanie wąskiej szczeliny może być w rzeczywistości szkodliwe w przypadku silnie wypełnionych materiałów zawierających cząstki large, ponieważ konieczne jest zastosowanie wystarczającej szczeliny large, aby uniknąć zakleszczenia cząstek pod wpływem ścinania[1].
Alternatywną techniką pomiaru właściwości przepływu ścinającego takich systemów jest przepływ ściskany. Polega ona na umieszczeniu próbki między równoległymi płytami, a następnie pomiarze siły normalnej generowanej przez próbkę, gdy szczelina zamyka się ze stałą prędkością. Metoda, która uwzględnia częściowy poślizg ścianki, została opracowana przez Laun et al (Laun, Rady, & Hassager, 1999) w celu przekształcenia danych dotyczących szczeliny i siły normalnej w naprężenie ścinające i szybkość ścinania, umożliwiając obliczenie lepkości ścinania jako funkcji szybkości ścinania. Maksymalna szybkość ścinania dostępna przy ustalonej prędkości szczeliny jest ograniczona przez maksymalną siłę normalną reometru, ale często może przekraczać szybkość ścinania osiągalną przy użyciu reometrii rotacyjnej, gdy próbka wykazuje pęknięcie krawędzi.
Metodologia polega na tym, że określona objętość próbki jest ładowana na środek dolnej płyty geometrycznej, a następnie górna płyta jest opuszczana ze stałą prędkością do określonej szczeliny końcowej, patrz rysunek 2. Siła skierowana w górę generowana przez próbkę przeciwstawiającą się ruchowi geometrii w dół i odpowiednia szczelina są mierzone w funkcji czasu.
Eksperymentalny
- Zachowanie pasty do zębów podczas ściskania oceniano przy prędkościach szczelinowania 2 mm/s i 10 mm/s.
- Pomiary wykonano na 1-g aliquots pasty do zębów przy użyciu reometru rotacyjnego Kinexus z wkładem z płytką Peltiera i systemem pomiarowym z płytką równoległą o średnicy 60 mm, wykorzystując sekwencję ściskania w oprogramowaniu rSpace for Kinexus.
- Dane porównawcze krzywej przepływu rotacyjnego zostały wygenerowane przy użyciu 40 mm chropowatej płytki równoległej ze szczeliną 1 mm i przy użyciu standardowej wstępnie skonfigurowanej sekwencji rSpace.
- Wszystkie pomiary przeprowadzono w temperaturze 25°C.
- Masa próbki została przeliczona na objętość przy użyciu gęstości pasty do zębów wynoszącej 1,3 g/cm3.
Wyniki i dyskusja
Profil szczeliny i siły normalnej dla pasty do zębów, z prędkością szczelinowania 2 mm/s, pokazano na rysunku 3. Niebieska linia przedstawiająca szczelinę pokazuje zbliżanie się górnej płyty geometrycznej do próbki. Gdy płytka wchodzi w kontakt z próbką, tworzy ściśnięty cylinder o rosnącej średnicy, a czerwona linia, reprezentująca siłę normalną, zaczyna rosnąć. Gdy górna geometria osiąga zdefiniowaną szczelinę końcową, siła ściskająca staje się stała, ponieważ ściskanie ustaje.
Dane dotyczące siły normalnej i szczeliny są następnie konwertowane na naprężenie ścinające i szybkość ścinania, odpowiednio, automatycznie na końcu czynności pomiarowej przy użyciu równań [1] i [2]. Lepkość ścinania jest następnie obliczana poprzez podzielenie wynikowego naprężenia ścinającego przez odpowiednią szybkość ścinania.
Wynikowa krzywa przepływu wygenerowana z danych przepływu ściśnięcia przy prędkości szczelinowania 2 mm/s jest pokazana na rysunku 4. Wykres ten pokazuje trzy różne regiony pod względem zachowania przepływu próbki; do około 7 s-1 próbka dopiero zaczyna płynąć, gdy siły ściskające zaczynają rosnąć; od 7 s-1 profil lepkości wykazuje zmianę gradientu, gdy próbka wykazuje przepływ; dalsza zmiana gradientu występuje powyżej 150 s-1, gdy siły ściskające osiągają maksimum i przepływ próbki zatrzymuje się. W związku z tym z pomiaru wykorzystywane są tylko dane dotyczące stałego przepływu próbki.
Test przepływu przez ściśnięcie powtórzono dla świeżej porcji pasty do zębów o masie 1 g, tym razem stosując prędkość szczelinowania 10 mm/s. Porównanie danych uzyskanych przy prędkości 2 i 10 mm/s przedstawiono na rysunku 5, wraz z danymi dotyczącymi przepływu równowagowego uzyskanymi przy użyciu tradycyjnej reometrii rotacyjnej.
Można zauważyć, że dane przepływu ściskanego są bardzo dobrze dopasowane do danych rotacyjnych, rozszerzając szybkość ścinania z maksymalnie 20 s-1 dla pomiarów rotacyjnych do 700 s-1 dla pomiarów przepływu ściskanego. Oczywiście różne próbki mogą być bardziej lub mniej odpowiednie dla techniki squeeze flow niż ta przedstawiona tutaj, dlatego też pomiary próbne są zalecane dla każdej nowej analizy.
Wnioski
Reometr rotacyjny Kinexus z zaawansowanymi możliwościami testu osiowego może być wykorzystany do rozszerzenia mierzalnego zakresu szybkości ścinania skoncentrowanych zawiesin, które są podatne na pękanie, przy użyciu techniki squeeze flow. Obliczone lepkości pasty do zębów uzyskane za pomocą pomiarów przepływu ściskanego dały porównywalne dane do tradycyjnej reometrii rotacyjnej i rozszerzyły zakres szybkości ścinania o prawie dwa rzędy wielkości.
Przypis
[Rozmiar szczeliny powinien wynosić 10 x rozmiar maksymalnej cząstki, tak aby między cząstkami było wystarczająco dużo wolnej przestrzeni, aby mogły się swobodnie poruszać. Wraz ze wzrostem szybkości ścinania i wąską szczeliną, cząstki large mają tendencję do zlepiania się ze sobą, fałszując zachowanie przepływu.