Introducere
Proprietățile reologice ale unui produs pot influența modul în care acesta este perceput vizual și textural de către un consumator și modul în care este probabil să se comporte în timpul utilizării produsului. De exemplu, materialele care se subțiază foarte mult la forfecare vor fi foarte sensibile la modificările stresului aplicat, în timp ce materialele newtoniene vor prezenta o dependență mult mai mică. Un astfel de răspuns este important atunci când se ia în considerare ușurința de întindere sau "capacitatea de întindere".
Procesul de împrăștiere determină o reducere consecventă a grosimii stratului, deoarece acesta este distribuit pe o suprafață mai mare, după cum se arată în figura 1. Deoarece rata de forfecare este egală cu viteza aplicată împărțită la grosimea stratului, împrăștierea nu poate fi, prin urmare, atribuită unei singure rate de forfecare.
O modalitate mai bună de evaluare a capacității de împrăștiere este caracterizarea modificării vâscozității pe o gamă de viteze de forfecare, după cum se arată în figura 2. Regiunea de interes este regiunea de subțiere la forfecare sau regiunea legii puterii, deoarece aceasta descrie ușurința cu care structura materialului se descompune odată cu forfecarea aplicată. Această regiune pare liniară pe un grafic log-log al vâscozității în funcție de viteza de forfecare cu un gradient constant, dar prezintă dependență de legea puterii atunci când este reprezentată pe o scară liniară.
Din punct de vedere matematic, această regiune a curbei debitului poate fi descrisă utilizând Modelul legii puteriiModelul legii puterii este un model reologic comun pentru a cuantifica (de obicei) natura subțiririi prin forfecare a unei probe, valoarea mai apropiată de zero indicând un material care se subțiază mai mult prin forfecare.modelul legii puterii sau modelul Ostwald de Waele, dat de ecuația 1.
k este consistența
n este indicele legii puterii
σ este viteza de forfecare
Consistența are unitatea Pasn, dar este egală numeric cu vâscozitatea măsurată la 1 s-1. Indicele legii puterii variază de la 0 pentru materialele foarte subțiri la forfecare la 1 pentru materialele newtoniene.
Cu cât este mai mic aportul de tensiune necesar, cu atât materialul ar trebui să se întindă mai ușor. O valoare mai mică a lui k înseamnă o vâscozitate mai mică și, prin urmare, o solicitare mai mică, în timp ce o valoare mai mică a lui n indică o mai mare subțiere prin forfecare, ceea ce se traduce printr-o creștere mai mică a solicitării odată cu creșterea vitezei de forfecare.
Aceste informații pot fi reprezentate pe un grafic similar celui prezentat în figura 3. Materialele cu valori k scăzute și/sau valori n scăzute ar trebui să fie mai ușor de împrăștiat.
Experimental
- Capacitatea de împrăștiere a unui număr de produse de consum a fost evaluată prin efectuarea unui test în rampă al vitezei de forfecare și analizarea curbei rezultate utilizând un model de lege a puterii.
- Măsurătorile cu reometru rotațional au fost efectuate utilizând un reometru rotațional Kinexus cu un cartuș cu plăci Peltier și un sistem de măsurare cu plăci paralele rugoase1 și utilizând secvențe standard preconfigurate în software-ul rSpace.
- A fost utilizată o secvență de încărcare standard pentru a se asigura că ambele probe au fost supuse unui protocol de încărcare consecvent și controlabil.
- Toate măsurătorile reologice au fost efectuate la 25°C.
- Curba de curgere a fost generată utilizând un test de rampă a ratei de forfecare și un model de lege de putere adaptat la această curbă.
Rezultate și discuții
Figura 4 prezintă curba vâscozitate - viteză de forfecare pentru o serie de produse comerciale și parametrii de ajustare corespunzători, cu prezentarea grafică a acestora din urmă în figura 5.
Deși pasta de dinți și crema de mâini au valori k similare, crema de mâini are o valoare n mult mai mică, ceea ce o face mai fluidă la forfecare și mai ușor de întins. În schimb, siropul și sosul de ciocolată au valori k mult mai mici, dar nu se diluează prin forfecare, prin urmare par groase și lipicioase în timpul aplicării. Loțiunea de corp are o valoare k și n relativ scăzută, ceea ce o face mult mai ușor de aplicat. Pentru a compara din punct de vedere cantitativ solicitările pentru întinderea unei creme de mâini și, respectiv, a unui sirop la viteze de forfecare echivalente, valorile n și k pot fi înlocuite în ecuația 1. Luând în considerare o rată de forfecare unică de 1 s-1, care poate echivala cu un strat mai gros de produs, tensiunea necesară pentru menținerea curgerii la această rată de forfecare este de 279 Pa pentru crema de mâini și de 10 P a pentru sirop (σ = k la 1 s-1). La o rată de forfecare de 1 000 s-1, care s-ar referi la un strat mai subțire de material rezultat din procesul de împrăștiere, tensiunea necesară crește la 734 Pa pentru crema de mâini și la 10 000 Pa pentru sirop. Acest lucru evidențiază importanța comportamentului Non-NewtonianUn fluid non-newtonian este un fluid care prezintă o vâscozitate care variază în funcție de rata de forfecare sau de tensiunea de forfecare aplicată.non-newtonian în procesul de întindere.
Concluzie
Pentru a caracteriza capacitatea de împrăștiere a diferitelor produse comerciale, a fost utilizat un test în rampă al vitezei de forfecare cu un model de ajustare a legii de putere, utilizând parametrii de ajustare k și n. Valorile scăzute ale k și n indică o vâscozitate mai scăzută și un grad mai mare de subțiere prin forfecare, ceea ce va contribui la o împrăștiere mai ușoară.
Vă rugăm să rețineți...
se recomandă ca testarea să fie efectuată cu o geometrie de tip con și placă sau placă paralelă - aceasta din urmă fiind preferată pentru dispersii și emulsii cu dimensiuni ale particulelor large. Aceste tipuri de materiale pot necesita, de asemenea, utilizarea unor geometrii zimțate sau rugoase pentru a evita artefactele legate de alunecarea la suprafața geometriei.