Introducere
Multe produse de consum sunt ambalate în tuburi sau sticle, iar aplicarea produsului implică pomparea acestuia printr-un orificiu. Astfel de produse tind să fie produse care se diluează prin forfecare, în care vâscozitatea scade în timpul procesului de extrudare din cauza creșterii vitezei de forfecare și apoi revine la ieșirea din orificiu pe măsură ce viteza de forfecare este redusă. Rata de forfecare întâlnită în timpul acestui proces este legată de raza r a orificiului și de debitul volumetric Q prin următoarea expresie:
Parametrul n este indicele legii puterii, care este 1 pentru un lichid newtonian și între 0-1 pentru un fluid nonnewtonian. Această valoare poate fi obținută cu ușurință dintr-un test cu rată de forfecare variabilă prin ajustarea unui model de lege a puterii la datele rezultate.
Prin măsurarea debitului volumetric (volumul distribuit într-un anumit timp) și a razei interne a orificiului, este posibilă estimarea ratei de forfecare întâlnită în timpul extrudării.
Deoarece multe produse de consum, inclusiv produse alimentare, acoperiri și produse de toaletă/cosmetice, pot avea microstructuri foarte delicate, aceste structuri se descompun ușor în timpul procesului de extrudare și pot să nu își recupereze structura inițială decât după un timp finit. Materialele a căror refacere structurală depinde de timp sunt denumite tixotropice. Prin calcularea vitezei de forfecare întâlnită în timpul extrudării și prin utilizarea acesteia în etapa intermediară a unui test de deformare în trepte și viteză de forfecare, este posibil să se imite degradarea structurală rezultată din extrudare.
Urmărind imediat recuperarea structurală prin modulul de elasticitate G' în funcție de timp, este posibil să se determine recuperarea structurală a sistemului și, în cele din urmă, integritatea structurală a produsului în momentul utilizării. Acest lucru poate fi important din punct de vedere al aspectului fizic (rezistență la prăbușire), al texturii în timpul utilizării sau al funcționalității produsului, de exemplu, capacitatea de a se agăța de o suprafață verticală.
Experimental
- Proprietățile de recuperare structurală ale pastei de dinți și ale unui gel de păr au fost evaluate în condiții de rată de forfecare asociate cu extrudarea produsului în timpul utilizării.
- 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.
- Ratele de forfecare de extrudare relevante au fost calculate automat ca parte a secvenței de testare folosind valorile introduse ale volumului extrudat, ale timpului de extrudare și ale razei deschiderii. Testul a fost programat pentru a utiliza această valoare calculată ca rată de forfecare intermediară într-un test cu rată de forfecare în trepte, în care treapta 1 și treapta 2 utilizează o valoare constantă a deformării în cadrul probelor Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER la o frecvență de 1 Hz.
- Timpul de recuperare a 90% din elasticitatea inițială a produselor (G') a fost determinat automat și raportat la sfârșitul testului.
Rezultate și discuții
Calculatorul automat a evaluat rata de forfecare în procesul de extrudare la 86 s-1 pentru pasta de dinți și 240 s-1 pentru gelul de păr. Aceste valori au fost utilizate în etapa intermediară a vitezei de forfecare a testului.
Figura 1 prezintă rezultatele pentru pasta de dinți. În mod clar, acesta este un material foarte tixotrop, după cum se observă din curba de recuperare care arată că nu își recuperează complet structura în intervalul de timp al testului, atingând doar 50% din valoarea sa inițială a G' după aproximativ 500 de secunde.
În schimb, gelul pentru păr (figura 2) își recuperează structura aproape instantaneu, 90% din recuperare având loc în primele 5 secunde, iar recuperarea este completă în 20 de secunde. Acest lucru este important pentru acest produs, deoarece trebuie să asigure o fixare instantanee a părului înainte ca rășina să poată forma un film elastic pentru o fixare pe termen mai lung.
Observați că ambele materiale par să prezinte un comportament de Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiune de curgere la frecvența măsurată, deoarece G' depășește G", indicând o microstructură interconectată sau dominată de solid.
Concluzie
A fost efectuat un test în trei etape privind rata de deformare/creștere pe o pastă de dinți și un gel de păr pentru a evalua rata și gradul de recuperare a elasticității după extrudarea dintr-un tub. Pasta de dinți s-a dovedit a fi foarte tixotropică, având nevoie de 500 de secunde pentru a-și recăpăta 50% din elasticitatea inițială, în timp ce gelul de păr și-a revenit aproape imediat.
Vă rugăm să rețineți...
se recomandă ca testele să fie efectuate 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.