Användning av squeeze flow för att utöka reologiska mätningar för koncentrerade suspensioner

Inledning

Att göra skjuvningsreologiska mätningar på prover med en hög andel fasta ämnen kan vara svårt på en rotationsreometer, eftersom provet kan vara benäget att spricka även vid låga till medium skjuvningshastigheter. När detta inträffar syns en plötslig, kraftig minskning av skjuvspänningen i mätdata när provet spricker vid kanten av geometrispalten.

Ett exempel på en koncentrerad suspension som är benägen att drabbas av sådana effekter är tandkräm. Tandkrämer består i allmänhet av ett slipmedel, ett polymert förtjockningsmedel och ett dispergeringsmedel i en vattenbaserad bas, tillsammans med smakämnen och konserveringsmedel. Sådana högpackade material uppvisar vanligtvis frakturer under rotationsskjuvning, vilket kan vara problematiskt när man bedömer prestandan under förhållanden som är relevanta för applikationen. När det gäller tandkrämer kan det vara svårt att fastställa flödesegenskaper som är relevanta för bearbetningen, och det är ofta svårt att förutsäga hur den färdiga tandkrämen kommer att flöda ut ur tuben och på tandborsten.

Figur 1 visar en jämviktsprofil för flödeskurvan för en typisk tandkräm. Notera den kraftiga minskningen i viskositet vid 40 ^s-1, vilket motsvarar tandkrämens fraktur mellan den övre och nedre geometrin.

Flödeskurva som visar tandkrämens skjuvviskositet och skjuvspänning, vilket indikerar en frakturregion ovanför en skjuvhastighet på 40 s-¹. — 1) Flödeskurva för en typisk tandkräm, som visar kantfraktur som uppstår över en skjuvhastighet på 40 s-1

Provfrakturen kan fördröjas (med avseende på skjuvhastigheten) genom användning av en parallell plattgeometri, vilket gör det möjligt att använda en mindre spaltstorlek, men den kan inte elimineras helt. Användningen av en smal spalt kan faktiskt vara skadlig när det gäller högfyllda material som innehåller large partiklar, eftersom det är nödvändigt att använda en large tillräckligt stor spalt för att undvika att partiklarna fastnar under skjuvning[1].

En alternativ teknik för att mäta skjuvflödesegenskaperna hos sådana system är squeeze flow. Detta innebär att man laddar ett prov mellan parallella plattor och sedan mäter den normalkraft som alstras av provet när spalten sluts med en konstant hastighet, till exempel. En metod som tar hänsyn till partiell väggglidning har utvecklats av Laun et al (Laun, Rady & Hassager, 1999) för att omvandla data om spalt och normalkraft till skjuvspänning och skjuvhastighet, vilket gör att skjuvviskositeten kan beräknas som en funktion av skjuvhastigheten. Den maximala skjuvhastigheten som är tillgänglig vid en viss öppningshastighet begränsas av reometerns maximala normalkraftskapacitet, men kan ofta överstiga den skjuvhastighet som kan uppnås med rotationsreometri, där provet uppvisar kantfraktur.

Metoden går ut på att en definierad volym prov laddas på mitten av den nedre geometriplattan och sedan sänks den övre plattan med konstant hastighet till en definierad ändspalt, se figur 2. Den uppåtriktade kraft som genereras av provet och som motverkar geometrins nedåtgående rörelse och motsvarande spalt mäts som en funktion av tiden.

Ekvationer för skjuvspänning och skjuvhastighet visas och visar viktiga formler för strömningsmekanisk analys inom ingenjörsvetenskapen.

Schematisk illustration av axiella mätningar med en Kinexus-reometer, med vätskeflöde och höjdvariabler. — 2) Schematisk bild över axiella mätningar som utförs med Kinexus-reometern

Experimentell

Tandkrämens squeeze flow-beteende utvärderades vid gappinghastigheter på 2 mm/s och 10 mm/s.
Mätningarna gjordes på 1 g alikvoter av tandkräm med hjälp av en Kinexus rotationsreometer med en Peltier-plattkassett och ett 60 mm parallellplattmätningssystem, med hjälp av en klämflödessekvens i programvaran rSpace för Kinexus.
Jämförande data för rotationsflödeskurvor genererades med hjälp av en 40 mm grov parallellplatta med ett mellanrum på 1 mm och med en förkonfigurerad standardsekvens från rSpace.
Alla mätningar utfördes vid en temperatur på 25°C.
Provmassan omvandlades till volym med hjälp av en tandkrämsdensitet på 1,3 ^g/cm3.

Resultat och diskussion

En profil för gap och normalkraft för tandkräm, med en gaphastighet på 2 mm/s, visas i figur 3. Den blå linjen, som representerar gapet, visar hur den övre geometriplattan närmar sig provet. När plattan kommer i kontakt med provet bildar den en komprimerad cylinder med ökande diameter och den röda linjen, som representerar normalkraften, börjar öka. När den övre geometrin når den definierade ändspalten blir den komprimerande kraften konstant eftersom klämningen upphör.

Profildiagram för gap och normalkraft för tandkrämsanalys, som visar förändringar över tid vid en gaphastighet på 2 mm/s. — 3) Spalt- och normalkraftsprofil för tandkräm, med en spaltningshastighet på 2 mm/s

Normalkraft och spaltdata omvandlas sedan automatiskt till skjuvspänning respektive skjuvhastighet i slutet av mätningen med hjälp av ekvationerna [1] och [2]. Skjuvviskositeten beräknas sedan genom att den resulterande skjuvspänningen divideras med motsvarande skjuvhastighet.

Den resulterande flödeskurvan som genererats från pressflödesdata med en öppningshastighet på 2 mm/s visas i figur 4. Detta diagram visar tre distinkta regioner när det gäller provets flödesbeteende; upp till ca 7 ^s-1 börjar provet precis att flöda när tryckkrafterna börjar öka; från 7 ^s-1 visar viskositetsprofilen en gradientförändring när provet uppvisar flöde; en ytterligare gradientförändring inträffar över 150 ^s-1 när tryckkrafterna når ett maximum och provflödet stannar. Därför utnyttjas endast data från mätningen med konstant provflöde.

Viskositetsflödeskurva som visar skjuvviskositet (Pa-s) mot skjuvhastighet (s-¹) med ett markerat område med konstant provflöde. — 4) Viskositetsflödeskurva beräknad från klämflödesdata som erhållits vid en öppningshastighet på 2 mm/s

Klämflödestestet upprepades för en ny 1 g alikvot av tandkräm och denna gång med en gappinghastighet på 10 mm/s. En jämförelse av data från både 2 och 10 mm/s visas i figur 5, tillsammans med jämviktsflödesdata som erhållits med traditionell rotationsreometri.

Man kan se att data från pressflödet stämmer mycket väl överens med rotationsdata och att skjuvhastigheten ökar från maximalt 20 ^s-1 för rotationsmätningar till 700 ^s-1 för pressflödesmätningar. Naturligtvis kan olika prover vara mer eller mindre lämpliga för squeeze flow-tekniken än vad som visas här, och därför rekommenderas provmätningar för alla nya analyser.

Diagram över viskositet kontra skjuvhastighet, som visar rotations- och pressflödesdata vid olika hastigheter (2 och 10 mm/s). — 5) Rotations- och pressflödesdata, presenterade som viskositet kontra skjuvhastighet

Slutsats

En Kinexus rotationsreometer med avancerade axiella testfunktioner kan användas för att utöka det mätbara skjuvhastighetsintervallet för koncentrerade suspensioner, som är benägna att spricka, med hjälp av squeeze flow-tekniken. Beräknade viskositeter för tandkräm som erhölls genom mätningar med squeeze flow gav jämförbara data med traditionell rotationsreometri och utökade skjuvhastighetsintervallet med nästan två storleksordningar.

Fotnot

[1] Spaltstorleken bör vara 10 x storleken på den största partikeln så att det finns tillräckligt med fritt utrymme mellan partiklarna för att de ska kunna röra sig fritt. Med ökande skjuvhastighet och en smal spalt tenderar large partiklar att fastna i varandra, vilket förfalskar flödesbeteendet.