Введение
Реологические свойства продукта могут влиять на его визуальное и текстурное восприятие потребителем и на то, как он будет вести себя во время использования. Например, материалы с очень сильным сдвиговым разрежением будут сильно реагировать на изменения приложенного напряжения, в то время как ньютоновские материалы продемонстрируют гораздо меньшую зависимость. Такая реакция важна при рассмотрении легкости нанесения или "распределяемости".
Процесс растекания приводит к уменьшению толщины слоя, поскольку он распределяется по большей площади поверхности, как показано на рис. 1. Поскольку скорость сдвига равна приложенной скорости, деленной на толщину слоя, распределение не может быть приписано одной скорости сдвига.
Более точным способом оценки распределяемости является определение изменения вязкости в диапазоне скоростей сдвига, как показано на рисунке 2. Интерес представляет область утончения при сдвиге или область закона мощности, поскольку она описывает, насколько легко разрушается структура материала при сдвиге. Эта область выглядит линейной на логарифмическом графике зависимости вязкости от скорости сдвига при постоянном градиенте, но при построении графика в линейном масштабе проявляется зависимость от закона мощности.
Математически эта область кривой потока может быть описана с помощью закона мощности или модели Оствальда-де-Ваэля, представленной уравнением 1.
𝜎 = 𝑘𝛾̇𝑛
k - консистенция
n - индекс закона мощности
σ - напряжение сдвига
𝛾̇ - скорость сдвига
Консистенция имеет единицы измерения Pasn, но численно равна вязкости, измеренной при 1 с-1. Индекс закона мощности варьируется от 0 для материалов с очень сильным сдвиговым утончением до 1 для ньютоновских материалов. Чем меньше требуемое напряжение, тем легче материал должен распределяться. Меньшее значение k означает меньшую вязкость и, следовательно, меньшее напряжение, в то время как меньшее значение n указывает на большее сдвиговое утончение, что приводит к увеличению напряжения smallс увеличением скорости сдвига.
Эта информация может быть представлена на графике, подобном тому, что показан на рисунке 3. Материалы с низким значением k и/или низким значением n должны легче всего поддаваться распределению.
Экспериментальный
- Растекаемость ряда потребительских продуктов оценивалась путем проведения теста на увеличение скорости сдвига и анализа полученной кривой с использованием модели закона мощности.
- Измерения проводились с помощью реометра Kinexus с картриджем с пластинами Пельтье и измерительной системой с шероховатыми параллельными пластинами1 , а также с использованием стандартных предварительно настроенных последовательностей в программном обеспечении rSpace.
- Стандартная последовательность загрузки использовалась для того, чтобы гарантировать, что оба образца подвергались последовательному и контролируемому протоколу загрузки.
- Все реологические измерения проводились при 25°C.
- Кривая течения была построена с помощью теста с темпом изменения скорости сдвига, и к этой кривой была подобрана модель закона мощности.
Результаты и обсуждение
На рисунке 4 показана кривая вязкость-скорость сдвига для ряда коммерческих продуктов и соответствующие параметры подгонки, а графическое представление последних представлено на рисунке 5.
Хотя зубная паста и крем для рук имеют схожие значения k, крем для рук имеет гораздо меньшее значение n, что делает его более тонким на сдвиг и более легким для нанесения. И наоборот, сироп и шоколадный соус имеют гораздо меньшие значения k, но не обладают сдвиговым утончением, поэтому при нанесении кажутся густыми и липкими. Лосьон для тела имеет относительно низкие значения k и n, что значительно облегчает его нанесение.
Для количественного сравнения напряжения, необходимого для нанесения крема для рук и сиропа, соответственно, при эквивалентных скоростях сдвига, значения n и k можно подставить в уравнение 1. Учитывая скорость сдвига 1 с-1, которая может соответствовать более толстому слою продукта, напряжение, необходимое для поддержания потока при этой скорости сдвига, составляет 279 Па для крема для рук и 10 Па для сиропа (σ = k при 1 с-1). При скорости сдвига 1000 с-1, которая относится к более тонкому слою материала, образующемуся в результате процесса распределения, требуемое напряжение возрастает до 734 Па для крема для рук и 10 000 Па для сиропа. Это подчеркивает важность неньютоновского поведения в процессе растекания.
Заключение
Испытание на скорость сдвига с подгонкой модели по закону мощности использовалось для характеристики растекаемости различных коммерческих продуктов с использованием параметров k и n, соответствующих закону мощности. Низкие значения k и n указывают на более низкую вязкость и большую степень сдвигового утончения, соответственно, что способствует более легкому растеканию.
1Примите вовнимание, что испытания рекомендуется проводить с геометрией конуса и пластины или параллельной пластины, причем последняя предпочтительна для дисперсий и эмульсий с размером частиц large. Для таких типов материалов также может потребоваться использование зубчатой или шероховатой геометрии, чтобы избежать артефактов, связанных с проскальзыванием на поверхности геометрии.