Введение
Проведение сдвиговых реологических измерений на образцах с высокой долей твердых частиц может представлять трудности на ротационном реометре, поскольку образец может разрушаться даже при низких или medium скоростях сдвига. Когда это происходит, в данных наблюдается внезапное, резкое снижение напряжения сдвига, когда образец разрушается на границе геометрического зазора.
Примером концентрированной суспензии, склонной к подобным эффектам, является зубная паста. Зубные пасты обычно состоят из абразива, полимерного загустителя и диспергатора в водной основе, а также ароматизаторов и консервантов. Такие высокоупакованные материалы обычно разрушаются при вращательном сдвиге, что может быть проблематично при оценке характеристик в условиях, соответствующих применению. В случае с зубными пастами бывает сложно определить характеристики потока, необходимые для обработки, и часто трудно предсказать, как готовая зубная паста будет вытекать из тюбика на зубную щетку.
На рисунке 1 показан профиль кривой равновесного потока для типичной зубной пасты. Обратите внимание на резкое снижение вязкости при 40 с-1, что соответствует разрушению зубной пасты между верхней и нижней геометрией.
smallРазрушение образца можно отсрочить (с точки зрения скорости сдвига) за счет использования параллельной геометрии пластины, которая позволяет использовать более узкий зазор, но полностью исключить его невозможно. Использование узкого зазора может оказаться вредным в случае высоконаполненных материалов, содержащих large частиц, поскольку необходимо использовать large зазор, достаточный для предотвращения застревания частиц при сдвиге[1].
Альтернативным методом измерения свойств сдвигового потока таких систем является выдавливание. При этом образец помещается между параллельными пластинами, а затем измеряется нормальная сила, возникающая в образце при закрытии зазора, например, с постоянной скоростью. Лаун и др. (Laun, Rady, & Hassager, 1999) разработали метод, учитывающий частичное проскальзывание стенок, для преобразования данных о зазоре и нормальной силе в напряжение сдвига и скорость сдвига, что позволяет рассчитать сдвиговую вязкость как функцию скорости сдвига. Максимальная скорость сдвига, доступная при заданной скорости зазора, ограничена максимальной нормальной силой реометра, но часто может превышать скорость сдвига, достижимую при использовании вращательной реометрии, когда образец демонстрирует разрушение краев.
Методика такова, что определенный объем образца загружается в центр нижней геометрической пластины, а затем верхняя пластина опускается с постоянной скоростью до определенного конечного зазора, см. рис. 2. Восходящая сила, создаваемая образцом, сопротивляющимся движению геометрии вниз, и соответствующий зазор измеряются как функция времени.
Экспериментальный
- Поведение зубной пасты при выдавливании оценивалось при скоростях запечатывания 2 мм/с и 10 мм/с.
- Измерения проводились на 1 г аликвотыots зубной пасты с помощью ротационного реометра Kinexus с картриджем с пластинами Пельтье и измерительной системой с параллельными пластинами диаметром 60 мм с использованием последовательности выдавливания потока в программном обеспечении rSpace для Kinexus.
- Сравнительные данные кривой вращательного потока были получены с использованием параллельной пластины диаметром 40 мм с шероховатой поверхностью и зазором 1 мм с использованием стандартной предварительно сконфигурированной последовательности rSpace.
- Все измерения проводились при температуре 25°C.
- Масса образца пересчитывалась в объем с использованием плотности зубной пасты 1,3 г/см3.
Результаты и обсуждение
Профиль зазора и нормальной силы для зубной пасты при скорости запечатывания 2 мм/с показан на рисунке 3. Синяя линия, обозначающая зазор, показывает приближение верхней геометрической пластины к образцу. По мере контакта пластины с образцом она образует сжатый цилиндр все большего диаметра, и красная линия, представляющая нормальную силу, начинает увеличиваться. Когда верхняя геометрическая пластина достигает определенного конечного зазора, сила сжатия становится постоянной, так как сдавливание прекращается.
Данные о нормальной силе и зазоре преобразуются в напряжение сдвига и скорость сдвига, соответственно, автоматически в конце измерения с помощью уравнений [1] и [2]. Затем рассчитывается сдвиговая вязкость путем деления полученного напряжения сдвига на соответствующую скорость сдвига.
Результирующая кривая течения, полученная на основе данных о потоке выдавливания при скорости запечатывания 2 мм/с, показана на рисунке 4. На этом графике показаны три различные области поведения образца при течении; примерно до 7 с-1 образец только начинает течь, так как сжимающие силы начинают увеличиваться; начиная с 7 с-1 профиль вязкости показывает градиентное изменение, так как образец проявляет течение; дальнейшее градиентное изменение происходит выше 150 с-1, когда сжимающие силы достигают максимума и течение образца прекращается. Таким образом, при измерении используются только данные о постоянном потоке образца.
Тест на выдавливание потока был повторен для свежей аликвоты зубной пасты весом 1 г, и на этот раз скорость запечатывания составила 10 мм/с. Сравнение данных, полученных при скорости 2 и 10 мм/с, показано на рис. 5 вместе с данными равновесного течения, полученными с помощью традиционной вращательной реометрии.
Видно, что данные по течению при выдавливании очень хорошо согласуются с данными по вращению, увеличивая скорость сдвига от максимального значения 20 с-1 при вращательных измерениях до 700 с-1 при измерении течения при выдавливании. Конечно, различные образцы могут быть более или менее пригодны для использования метода выдавливания, чем показанный здесь, поэтому для любого нового анализа рекомендуется проводить пробные измерения.
Заключение
Ротационный реометр Kinexus с расширенными возможностями осевого испытания может быть использован для расширения диапазона измеряемых скоростей сдвига концентрированных суспензий, склонных к разрушению, с помощью метода выдавливания потока. Расчетная вязкость зубной пасты, полученная с помощью измерений методом выдавливания, дает данные, сопоставимые с данными традиционной ротационной реометрии, и расширяет диапазон скоростей сдвига почти на два порядка.
Сноска
[1] Размер зазора должен составлять 10 x размер максимальной частицы, чтобы между частицами оставалось достаточно свободного пространства для их свободного перемещения. При увеличении скорости сдвига и узком зазоре частицы large стремятся слипнуться друг с другом, фальсифицируя поведение потока.