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 "удобоукладываемости".
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 связано с одной скоростью сдвига.
Более точным способом оценки способности к растеканию 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 структура материала разрушается 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.
k - консистенция
n - индекс закона мощности
σ - скорость сдвига
Консистенция имеет единицы измерения Pasn, но численно равна вязкости, измеренной при 1 с-1. Индекс закона мощности варьируется от 0 для очень тонких при сдвиге материалов 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
- Расплываемость ряда потребительских продуктов оценивалась путем проведения теста на скорость 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 на скорость сдвига и модели закона мощности, подогнанной к этой кривой.
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 одинаковые значения k, крем для рук имеет гораздо меньшее значение n, что делает его более тонким на сдвиг и более легким для распределения. И наоборот, сироп и шоколадный соус имеют гораздо меньшие значения k, но не обладают сдвиговым разрежением, 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 распределения крема для рук и сиропа при эквивалентных скоростях сдвига, значения n и k могут быть подставлены в уравнение 1. Если учесть, что скорость сдвига составляет 1 с-1, что может быть эквивалентно более толстому слою продукта, то напряжение, необходимое для поддержания потока при этой скорости сдвига, составляет 279 Па для крема для рук и 10 P a для сиропа (σ = k при 1 с-1). При скорости сдвига 1000 с-1, которая соответствует более тонкому слою материала, образующемуся в результате процесса растекания, 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
Для определения способности различных коммерческих продуктов к растеканию использовалось испытание на скорость сдвига с подгонкой модели по закону мощности с использованием параметров k и n. Низкие значения k и n указывают на более низкую вязкость и большую степень сдвигового утончения, что способствует более легкому растеканию.
Обратите внимание...
рекомендуется проводить испытания с использованием геометрии конуса и пластины или параллельной пластины, причем последняя предпочтительнее для дисперсий и эмульсий с размером частиц large. Для таких типов материалов также может потребоваться использование зубчатых или шероховатых геометрий, чтобы избежать артефактов, связанных с проскальзыванием на поверхности геометрии.