Introducere
Efectuarea de măsurători reologice de forfecare pe probe cu o fracție mare de solide poate prezenta dificultăți pe un reometru rotativ, deoarece proba poate fi predispusă la fractură chiar și la rate de forfecare scăzute până la medium. Atunci când acest lucru se întâmplă, în date se observă o scădere bruscă și accentuată a tensiunii de forfecare atunci când proba se fracturează la marginea spațiului geometric.
Un exemplu de suspensie concentrată predispusă la astfel de efecte este pasta de dinți. Pastele de dinți cuprind, în general, un abraziv, un îngroșător polimeric și un dispersant într-o bază apoasă, împreună cu arome și conservanți. Astfel de materiale foarte compacte prezintă de obicei fracturi la forfecare prin rotație, ceea ce poate fi problematic la evaluarea performanței în condiții relevante pentru aplicație. În cazul pastelor de dinți, poate fi dificil să se determine caracteristicile de curgere relevante pentru prelucrare și este adesea dificil să se prevadă modul în care pasta de dinți finită va curge din tub și va ajunge pe periuța de dinți.
Figura 1 prezintă un profil al curbei de curgere în echilibru pentru o pastă de dinți tipică. Observați scăderea bruscă a vâscozității la 40 s-1, care corespunde fracturării pastei de dinți între geometria superioară și cea inferioară.
Fractura probei poate fi întârziată (în ceea ce privește viteza de forfecare) prin utilizarea unei geometrii cu plăci paralele, care permite aplicarea unui spațiu mai mic, dar nu poate fi eliminată complet. Utilizarea unui spațiu îngust poate fi de fapt dăunătoare în cazul materialelor foarte încărcate care conțin large particule, deoarece este necesar să se utilizeze un spațiu large suficient pentru a evita blocarea particulelor sub forfecare[1].
O tehnică alternativă pentru măsurarea proprietăților de curgere prin forfecare ale unor astfel de sisteme este curgerea prin stoarcere. Aceasta presupune încărcarea unei probe între plăci paralele, apoi măsurarea forței normale generate de probă pe măsură ce spațiul se închide la o viteză constantă, de exemplu. Laun et al (Laun, Rady, & Hassager, 1999) au dezvoltat o metodă, care ia în considerare alunecarea parțială a pereților, pentru a converti datele privind spațiul și forța normală în tensiune de forfecare și viteză de forfecare, permițând calcularea vâscozității de forfecare în funcție de viteza de forfecare. Viteza maximă de forfecare disponibilă la o viteză de separare stabilită este limitată de capacitatea maximă de forță normală a reometrului, dar poate depăși adesea viteza de forfecare care poate fi obținută prin utilizarea reometriei rotaționale, atunci când proba prezintă fracturi ale marginilor.
Metodologia este astfel încât un volum definit de probă este încărcat pe centrul plăcii geometrice inferioare, iar apoi placa superioară este coborâtă la o viteză constantă până la un spațiu final definit, a se vedea figura 2. Forța ascendentă generată de probă care se opune mișcării descendente a geometriei și a spațiului corespunzător este măsurată în funcție de timp.
Experimental
- Comportamentul fluxului de stoarcere al pastei de dinți a fost evaluat la viteze de decuplare de 2 mm/s și 10 mm/s.
- Măsurătorile au fost efectuate pe alicote de 1 g de pastă de dinți, folosind un reometru rotațional Kinexus cu un cartuș cu plăci Peltier și un sistem de măsurare cu plăci paralele de 60 mm, utilizând o secvență de curgere prin stoarcere în software-ul rSpace pentru Kinexus.
- Datele comparative ale curbei de curgere rotațională au fost generate utilizând o placă paralelă rugoasă de 40 mm cu un spațiu de 1 mm și folosind o secvență standard pre-configurată rSpace.
- Toate măsurătorile au fost efectuate la o temperatură de 25°C.
- Masa probei a fost convertită în volum folosind o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate a pastei de dinți de 1,3 g/cm3.
Rezultate și discuții
În figura 3 este prezentat un profil al distanței și al forței normale pentru pasta de dinți, cu o viteză de decupare de 2 mm/s. Linia albastră, care reprezintă diferența, arată apropierea plăcii geometrice superioare de probă. Pe măsură ce placa intră în contact cu eșantionul, aceasta formează un cilindru comprimat cu un diametru din ce în ce mai mare, iar linia roșie, care reprezintă forța normală, începe să crească. Pe măsură ce geometria superioară atinge spațiul final definit, forța de comprimare devine constantă, deoarece comprimarea se oprește.
Datele privind forța normală și diferența sunt apoi convertite automat, la sfârșitul acțiunii de măsurare, în tensiune de forfecare și, respectiv, în viteză de forfecare, utilizând ecuațiile [1] și [2]. Vâscozitatea de forfecare este apoi calculată prin împărțirea efortului de forfecare rezultat la rata de forfecare corespunzătoare.
Curba de curgere rezultată generată din datele de curgere prin stoarcere folosind o viteză de decupare de 2 mm/s este prezentată în figura 4. Acest grafic arată trei regiuni distincte în ceea ce privește comportamentul de curgere al probei; până la aproximativ 7 s-1, proba începe să curgă pe măsură ce forțele de compresiune încep să crească; de la 7 s-1, profilul vâscozității prezintă o schimbare de gradient pe măsură ce proba prezintă curgere; o altă schimbare de gradient apare peste 150 s-1 pe măsură ce forțele de compresiune ating un maxim și curgerea probei se oprește. Ca atare, din măsurători sunt utilizate numai datele cu debit constant al probei.
Testul de curgere prin stoarcere a fost repetat pentru o nouă alicotă de 1 g de pastă de dinți și, de data aceasta, folosind o viteză de decuplare de 10 mm/s. În figura 5 este prezentată o comparație a datelor de 2 și 10 mm/s, împreună cu datele privind curgerea în echilibru obținute cu ajutorul reometriei rotaționale tradiționale.
Se poate observa că datele privind curgerea prin stoarcere se potrivesc extrem de bine cu datele rotaționale, extinzând rata de forfecare de la un maxim de 20 s-1 pentru măsurătorile rotaționale, la 700 s-1 pentru măsurătorile privind curgerea prin stoarcere. Desigur, probe diferite pot fi mai mult sau mai puțin potrivite pentru tehnica fluxului de stoarcere decât cea prezentată aici, prin urmare se recomandă măsurători de probă pentru orice analiză nouă.
Concluzie
Un reometru rotațional Kinexus cu capacități avansate de testare axială poate fi utilizat pentru a extinde intervalul măsurabil al vitezei de forfecare a suspensiilor concentrate, care sunt predispuse la fractură, prin utilizarea tehnicii fluxului de stoarcere. Vâscozitățile calculate pentru pasta de dinți, obținute prin măsurători ale fluxului de stoarcere, au furnizat date comparabile cu reometria rotațională tradițională și au extins intervalul vitezei de forfecare cu aproape două ordine de mărime.
Notă de subsol
[1] Dimensiunea spațiului trebuie să fie de 10 x dimensiunea particulei maxime, astfel încât să existe suficient spațiu liber între particule pentru ca acestea să se poată deplasa liber. Odată cu creșterea vitezei de forfecare și cu un spațiu îngust, particulele large tind să se blocheze între ele, falsificând comportamentul de curgere.