Introdução
A realização de medições reológicas de cisalhamento em amostras com alta fração de sólidos pode apresentar dificuldades em um reômetro rotacional, pois a amostra pode ser propensa a fraturar mesmo com taxas de cisalhamento baixas a medium. Quando isso ocorre, uma diminuição súbita e acentuada da EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de cisalhamento é observada nos dados quando a amostra se quebra na borda da lacuna geométrica.
Um exemplo de suspensão concentrada propensa a esses efeitos é a pasta de dente. As pastas de dente geralmente são compostas por um abrasivo, um espessante polimérico e um dispersante em uma base aquosa, juntamente com aromatizantes e conservantes. Esses materiais altamente compactados geralmente apresentam fratura sob cisalhamento rotacional, o que pode ser problemático ao avaliar o desempenho em condições relevantes para a aplicação. No caso dos cremes dentais, pode ser difícil determinar as características de fluxo relevantes para o processamento e, muitas vezes, é difícil prever como o creme dental acabado fluirá do tubo para a escova de dentes.
A Figura 1 mostra um perfil de curva de fluxo de equilíbrio para um creme dental típico. Observe a diminuição acentuada da viscosidade em 40 s-1, correspondente à fratura do creme dental entre as geometrias superior e inferior.
A fratura da amostra pode ser retardada (em termos de taxa de cisalhamento) com o uso de uma geometria de placa paralela, o que permite a aplicação de um smalltamanho de fenda menor, mas não pode ser totalmente eliminado. O uso de uma fenda estreita pode, na verdade, ser prejudicial no caso de materiais altamente preenchidos que contenham large partículas, pois é necessário usar uma large fenda suficiente para evitar que as partículas fiquem presas sob cisalhamento[1].
Uma técnica alternativa para medir as propriedades de fluxo de cisalhamento de tais sistemas é o fluxo de compressão. Isso envolve carregar uma amostra entre placas paralelas e, em seguida, medir a força normal gerada pela amostra à medida que a lacuna se fecha em uma velocidade constante, por exemplo. Um método, que leva em conta o deslizamento parcial da parede, foi desenvolvido por Laun et al (Laun, Rady, & Hassager, 1999) para converter os dados de folga e força normal em EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento, permitindo que a viscosidade de cisalhamento seja calculada como uma função da taxa de cisalhamento. A taxa de cisalhamento máxima disponível em uma velocidade de abertura definida é limitada pela capacidade de força normal máxima do reômetro, mas pode, com frequência, exceder a taxa de cisalhamento obtida com o uso da reometria rotacional, em que a amostra apresenta fratura na borda.
A metodologia é tal que um volume definido de amostra é carregado no centro da placa de geometria inferior e, em seguida, a placa superior é abaixada a uma velocidade constante até uma folga final definida, veja a Figura 2. A força ascendente gerada pela amostra que resiste ao movimento descendente da geometria e a lacuna correspondente são medidas em função do tempo.
Experimental
- O comportamento do fluxo de compressão da pasta de dente foi avaliado em velocidades de abertura de 2 mm/s e 10 mm/s.
- As medições foram feitas em alíquotas de 1 gots de pasta de dente, usando um reômetro rotacional Kinexus com um cartucho de placa Peltier e um sistema de medição de placa paralela de 60 mm, utilizando uma sequência de fluxo de compressão no software rSpace for Kinexus.
- Os dados da curva de fluxo rotacional de comparação foram gerados usando uma placa paralela rugosa de 40 mm com uma lacuna de 1 mm e usando uma sequência padrão pré-configurada do rSpace.
- Todas as medições foram realizadas a uma temperatura de 25°C.
- A massa da amostra foi convertida em volume usando uma DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade de pasta de dente de 1,3 g/cm3.
Resultados e discussão
A Figura 3 mostra um perfil de força normal e de fenda para pasta de dente, com uma velocidade de fenda de 2 mm/s. A linha azul, que representa a folga, mostra a aproximação da placa de geometria superior à amostra. À medida que a placa entra em contato com a amostra, ela forma um cilindro comprimido de diâmetro crescente e a linha vermelha, que representa a força normal, começa a aumentar. Quando a geometria superior atinge a lacuna final definida, a força de compressão se torna constante, pois a compressão cessa.
A força normal e os dados de folga são então convertidos em EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento, respectivamente, automaticamente no final da ação de medição usando as equações [1] e [2]. A viscosidade de cisalhamento é então calculada dividindo-se a EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de cisalhamento resultante pela taxa de cisalhamento correspondente.
A curva de fluxo resultante gerada a partir de dados de fluxo de compressão usando uma velocidade de abertura de 2 mm/s é mostrada na Figura 4. Esse gráfico mostra três regiões distintas em termos de comportamento de fluxo da amostra; até aproximadamente 7 s-1, a amostra está começando a fluir à medida que as forças de compressão começam a aumentar; a partir de 7 s-1, o perfil de viscosidade mostra uma mudança de gradiente à medida que a amostra apresenta fluxo; uma mudança de gradiente adicional ocorre acima de 150 s-1 à medida que as forças de compressão atingem o máximo e o fluxo da amostra para. Dessa forma, somente os dados de fluxo constante da amostra são utilizados na medição.
O teste de fluxo de compressão foi repetido para uma nova alíquota de 1 g de pasta de dente e, desta vez, usando uma velocidade de abertura de 10 mm/s. Uma comparação dos dados de 2 e 10 mm/s é mostrada na Figura 5, juntamente com os dados de fluxo de equilíbrio obtidos usando a reometria rotacional tradicional.
Pode-se observar que os dados de fluxo de compressão combinam extremamente bem com os dados rotacionais, ampliando a taxa de cisalhamento de um máximo de 20 s-1 para medições rotacionais, para 700 s-1 para medições de fluxo de compressão. Obviamente, amostras diferentes podem ser mais ou menos adequadas para a técnica de squeeze flow do que a mostrada aqui, portanto, recomenda-se a realização de medições experimentais para qualquer nova análise.
Conclusão
Um reômetro rotacional Kinexus com recursos avançados de teste axial pode ser usado para ampliar a faixa de taxa de cisalhamento mensurável de suspensões concentradas, que são propensas a fraturas, usando a técnica de fluxo de compressão. As viscosidades calculadas para pasta de dente obtidas por medições de fluxo de compressão forneceram dados comparáveis aos da reometria rotacional tradicional e ampliaram o intervalo da taxa de cisalhamento em quase duas ordens de magnitude.
Nota de rodapé
[1] O tamanho da fenda deve ser 10 vezes maior que o tamanho da partícula máxima para que haja espaço livre suficiente entre as partículas para que elas se movimentem livremente. Com o aumento da taxa de cisalhamento e uma lacuna estreita, as large partículas tendem a se aglomerar, falsificando o comportamento do fluxo.