Utvärdering av produktens spridningsegenskaper på rotationsreometer med hjälp av Power Law-modellen

Inledning

De reologiska egenskaperna hos en produkt kan påverka hur konsumenten uppfattar den visuellt och texturmässigt och hur den sannolikt kommer att bete sig under användningen. Exempelvis kommer material som är mycket skjuvtunnande att reagera starkt på förändringar i pålagd spänning medan newtonska material kommer att visa mycket mindre beroende. En sådan respons är viktig när man överväger hur lätt det är att sprida eller "spridningsbarhet".

Spridningsprocessen leder till att skiktets tjocklek minskar eftersom det fördelas över en större yta (se figur 1). Eftersom skjuvhastigheten är lika med den applicerade hastigheten dividerad med skikttjockleken, kan spridningen därför inte hänföras till en enda skjuvhastighet.

Ett bättre sätt att bedöma spridningsförmågan är att karakterisera förändringen i viskositet över ett intervall av skjuvhastigheter enligt figur 2. Den intressanta regionen är den skjuvtunna eller potenslagsbaserade regionen eftersom den beskriver hur lätt materialstrukturen bryts ned med tillämpad skjuvning. Denna region ser linjär ut på en log-log-plott av viskositet mot skjuvhastighet med en konstant gradient, men visar ett potenslagberoende när den plottas på en linjär skala.

Grafen visar minskningen av produktskiktets tjocklek över tid och belyser spridningsdynamiken i materialanalysen. — 1) Diagram som visar hur produktskiktets tjocklek förändras under spridningen

Diagram som illustrerar den ideala flödeskurvan med viskositetsmodeller: Cross/Carreau/Moore, Power-law och Sisko. — 2) Diagram som visar en idealisk flödeskurva och de relevanta modellerna för att beskriva dess form

Matematiskt kan detta område av flödeskurvan beskrivas med hjälp av Power Law eller Ostwald de Waele-modellen enligt ekvation 1.

Bilden visar en matematisk ekvation, σ = kγ^n, som representerar en flödesmodell, sannolikt relaterad till materialbeteende inom fysik eller teknik.

k är konsistensen
n är power law-indexet
σ är skjuvhastigheten

Konsistensen har enheten Pasn men är numeriskt lika med viskositeten mätt vid 1 ^s-1. Power law-indexet sträcker sig från 0 för mycket skjuvtunnande material till 1 för newtonska material.

Ju lägre spänningstillförsel som krävs, desto lättare bör materialet vara att sprida. Ett lägre värde på k innebär lägre viskositet och därmed lägre påfrestning, medan ett lägre värde på n indikerar större Förtunning genom skjuvningDen vanligaste typen av icke-newtonskt beteende är skjuvtunning eller pseudoplastisk strömning, där vätskans viskositet minskar med ökande skjuvning.skjuvförtunning, vilket innebär en mindre spänningsökning med ökande skjuvhastighet.

Denna information kan visas i ett diagram som liknar det i figur 3. Material med låga k-värden och/eller låga n-värden bör vara lättast att sprida.

Diagram som illustrerar produktkonsistens baserad på skjuvtunning, med olika produkter som margarin, honung och bodylotion. — 3) Diagram som visar hur olika produkter kan passa in i ett diagram över k mot n

Experimentell

Spridningsförmågan hos ett antal konsumentprodukter utvärderades genom att utföra ett ramptest med skjuvningshastighet och analysera den resulterande kurvan med hjälp av en potenslagsmodell.
Mätningarna med rotationsreometern gjordes med en Kinexus rotationsreometer med en Peltier-plattkassett och ett ^mätsystem med uppruggade parallella plattor1 och med hjälp av förkonfigurerade standardsekvenser i programvaran rSpace.
En standardiserad laddningssekvens användes för att säkerställa att båda proverna genomgick ett konsekvent och kontrollerbart laddningsprotokoll.
Alla reologimätningar utfördes vid 25°C.
Flödeskurvan genererades med hjälp av ett ramptest för skjuvhastigheten och en Power Law-modellPower law-modellen är en vanlig reologisk modell för att kvantifiera (typiskt) ett provs skjuvtunnande karaktär, där ett värde närmare noll indikerar ett mer skjuvtunnande material.power law-modell anpassades till denna kurva.

Resultat och diskussion

Figur 4 visar kurvan för viskositet och skjuvhastighet för ett antal kommersiella produkter och motsvarande anpassningsparametrar, med en grafisk presentation av de senare i Figur 5.

Även om tandkräm och handkräm har liknande k-värden, har handkräm ett mycket lägre n-värde, vilket gör den mer skjuvtunnande och lättare att breda ut. Omvänt har sirap och chokladsås mycket lägre k-värden men är inte skjuvtunnande, vilket gör att de ser tjocka och klibbiga ut vid applicering. Bodylotionen har både ett relativt lågt k- och n-värde, vilket gör den mycket lättare att applicera. För att kvantitativt jämföra spänningskraven för att sprida en handkräm respektive sirap vid likvärdiga skjuvhastigheter kan värdena för n och k sättas in i ekvation 1. Om man räknar med en enda skjuvhastighet på 1 ^s-1, vilket kan motsvara ett tjockare produktlager, är den påkänning som krävs för att upprätthålla flödet vid denna skjuvhastighet 279 Pa för handkrämen och 10 Pa för sirapen (σ = k vid 1 ^s-1). Vid en skjuvhastighet på 1 000 ^s-1, vilket skulle innebära ett tunnare materialskikt till följd av spridningsprocessen, ökar spänningskravet till 734 Pa för handkrämen och 10 000 Pa för sirapen. Detta belyser vikten av icke-newtonskt beteende i spridningsprocessen.

Flödeskurvorna visar viskositetsdata för handkräm, bodylotion, tandkräm och sirap med parametrar för modellanpassning. — 4) Flödeskurvor och parametrar för modellanpassning för olika prover

Diagram som visar modellanpassningsparametrarna k och n för handkräm, bodylotion, tandkräm och sirap i ett vetenskapligt analysdiagram. — 5) Parametrarna k och n för modellanpassning plottade mot varandra

Slutsats

Ett ramptest med skjuvhastighetsramp med en power law-modellpassning användes för att karakterisera spridningsförmågan hos olika kommersiella produkter med hjälp av power law-passningsparametrarna k och n. Låga värden på k och n indikerar lägre viskositet och en högre grad av skjuvtunning, vilket bidrar till lättare spridning.

Vänligen notera...

att provning rekommenderas att utföras med kon- och platt- eller parallellplattgeometri - där den senare är att föredra för dispersioner och emulsioner med large partikelstorlekar. Sådana materialtyper kan också kräva användning av tandade eller grova geometrier för att undvika artefakter som beror på glidning på geometriytan.