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 și 1 pentru un fluid 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. 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 posibil să se estimeze rata de forfecare întâlnită în timpul procesului de extrudare. Această valoare poate fi introdusă într-un test de rată de forfecare în trepte (figura 1), care forfecează proba la o rată de forfecare scăzută pentru o anumită perioadă de timp (înainte de extrudare) înainte de a crește la rata de forfecare de interes. Se urmărește apoi recuperarea vâscozității pe măsură ce rata de forfecare este redusă la valoarea inițială. Acest test demonstrează cât de repede eșantionul își recuperează vâscozitatea în urma procesului de extrudare și indică grosimea sau vâscozitatea produsului în momentul utilizării.
Proprietățile tixotropice pot fi cuantificate prin măsurarea vâscozității finale la sfârșitul primei etape și a timpului necesar pentru ca un procent definit din vâscozitatea respectivă să fie recuperat în timpul ultimei etape a testului. Această valoare poate fi utilizată pentru compararea între produse sau formulări și este aplicabilă într-o gamă largă de industrii și aplicații.
Experimental
- Proprietățile de recuperare a vâscozității unei paste de dinți și a unei loțiuni de corp 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, treapta 1 și treapta 2 utilizând o rată de forfecare constantă de 0,1s-1.
- Timpul de recuperare a 90% din vâscozitatea inițială a produsului a fost determinat automat și raportat la sfârșitul testului.
Rezultate și discuții
Calculatorul automat a evaluat rata de forfecare pentru extrudare pentru livrarea produsului la 34 s-1 pentru pasta de dinți și 840 s-1 pentru loțiunea de corp. Aceste valori au fost utilizate în etapa intermediară a testului.
Figura 2 prezintă rezultatele pentru pasta de dinți. În mod clar, acesta este un material foarte tixotrop, deoarece nu își recuperează complet structura în intervalul de timp al testului, atingând doar 70 % din vâscozitatea sa inițială și având nevoie de aproximativ 6 minute pentru a atinge acest nivel de recuperare.
în schimb, loțiunea de corp prezentată în figura 3 își recuperează aproape în totalitate vâscozitatea inițială, având nevoie de numai 7 secunde pentru a atinge același procent de recuperare ca pasta de dinți și de 23 de secunde pentru a atinge 90%. Prin comparație, acest material ar fi clasificat ca fiind în esență non-tixotropic.
Din punctul de vedere al consumatorului, acest lucru ar însemna că loțiunea de corp se restructurează foarte rapid după ce intră în contact cu pielea, ceea ce ar putea preveni răspândirea excesivă sau eventualele scurgeri. Pasta de dinți ar avea o vâscozitate mai scăzută pe periuță înainte de periaj, ceea ce ar trebui să faciliteze distribuirea acesteia în gură și poate să afecteze proprietățile senzoriale. Cu toate acestea, este important ca vâscozitatea să nu fie atât de scăzută încât produsul să poată curge prin peri sau să se lase pe perie.
Concluzie
A fost efectuat un test de rată de forfecare în trei etape pe o pastă de dinți și o loțiune de corp pentru a evalua gradul de recuperare a vâscozității după extrudarea dintr-un tub și, respectiv, dintr-o sticlă. Pasta de dinți s-a dovedit a fi foarte tixotropică, fiind nevoie de 6 minute pentru a recupera 70% din vâscozitatea sa inițială. Loțiunea de corp a atins același grad de recuperare în doar 7 secunde și poate fi considerată non-tixotropică în comparație
1Vă rugăm sărețineți...
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.