Tips och tricks
Reologi för nybörjare - Bestämning av viskositeten hos en handkräm
De reologiska egenskaperna hos en kräm eller lotion är nära förknippade med olika användares förväntningar:
- Dess förmåga att stanna kvar i tuben så länge den inte kläms
- Dess förmåga att stanna kvar där den är dispenserad tills den gnuggas
- Dess goda flytbarhet under gnidning.
I det följande kommer vi att visa hur mätningar med Kinexus rotationsreometer ger information om detta önskade beteende hos en handkräm.
Allmän information
En rotationsreometer består vanligtvis av två parallella plattor, mellan vilka provet är placerat. Den övre plattan roterar och drar med sig provet. Den nedre plattan förblir fixerad. Kinexus används vanligen för att utföra två typer av mätningar:
Viskometri:
Den övre plattan roterar med en definierad skjuvhastighet som styrs av spalten och rotationshastigheten. Som ett resultat registrerar vi provets viskositet, η, dvs. dess flödesmotstånd.
Oscillation:
Den övre plattan oscillerar med en definierad amplitud och frekvens. Som ett resultat får vi provets viskoelastiska egenskaper, beskrivna av den elastiska skjuvmodulen, G´, förlustmodulen, G", och fasvinkeln, δ (för att nämna några).
Viskosimetri - Hur man kvantifierar krämens beteende i tuben, när den pressas ut ur tuben och när den sprids på handen
Figur 1 visar viskositetskurvan för en kommersiell handkräm som en funktion av den applicerade skjuvhastigheten. Materialet uppvisar ett skjuvtunnande beteende: viskositeten minskar med ökande skjuvhastigheter.
De lägre skjuvhastigheterna återspeglar krämens beteende vid förhållanden nära vila. Den högre viskositeten vid låga skjuvhastigheter säkerställer två egenskaper hos produkten: Krämen kommer inte ut ur tuben utan påfrestning från utsidan (= klämning av tuben). Dessutom kommer den att stanna kvar i handen utan att rinna bort efter att den har applicerats på huden.
Så snart användaren klämmer på tuben appliceras högre skjuvhastigheter på krämen. Enligt den resulterande kurvan leder detta till en minskning av produktens viskositet, så att den lätt rinner ut ur tuben. De högre skjuvhastigheterna efterliknar också krämens beteende när den sprids på huden. Denna process blir enklare tack vare den lägre viskositeten, vilket resulterar i en mjukare känsla på huden. En viktig term i detta sammanhang är flytspänningen, dvs. den minsta spänning som måste påföras ett material för att det ska börja flyta.
Figur 2 visar mätningen av flytspänningen på handkrämen. I det lägre skjuvspänningsområdet ser vi en uppenbar ökning av viskositeten som beror på att provstrukturen sträcker sig innan den ger efter. Handkrämen börjar flyta efter toppen i viskositet (se röd pil). I det här exemplet sker ytterligare en övergång vid högre spänning, från vilken punkt viskositeten minskar kraftigt och är fritt flödande. Mjukvaran beräknar flytspänningsvärdet automatiskt: krämen skulle börja flyta från en skjuvspänning på 11,7 Pa.
Oscillation - Ett material, olika beteenden ... Beroende på processens tidsskala
Amplitud-svep
Vid en oscillationsmätning måste provet befinna sig i det så kallade linjära viskoelastiska området (Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER), där den pålagda töjningen eller spänningen inte leder till att provets tillhörande struktur bryts. Därför utförs ett oscillationstest med en definierad frekvens och en varierande amplitud av deformation på materialet i ett första steg. Som ett resultat erhålls den maximala amplituden som möjliggör ett icke-destruktivt test - Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER:s spännings- eller töjningsgräns.
Figur 3 visar kurvorna för elasticitetsmodulen, G', och viskositetsmodulen, G", under amplitudsvepet. Den elastiska modulen förblir konstant upp till 0,2%. Det innebär att för deformationer som är lägre än 0,2% befinner sig ämnet i Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER.
Frekvenssvep
I nästa mätning ställs amplituden in på 0,1%, medan frekvensen varieras för att undersöka materialets respons över olika tidsskalor. Resultaten visas i figur 4.
Över hela det uppmätta frekvensområdet är G´-värdena större än G"-värdena: krämens elastiska egenskaper är mer dominerande än dess viskösa egenskaper. Krämen flyter inte, utan beter sig som ett fast ämne. Detta kan också ses i fasvinkeln, som är en skala för provets flytbarhet, från noll som är helt solidliknande till 90° som indikerar perfekt vätskeliknande beteende. Figur 4 visar att det här provet förblir mer fastliknande (dvs. fasvinkel <45°) över hela det testade frekvensområdet, dvs. det flyter inte
Slutsats
En konsument förväntar sig nästan motsägelsefulla beteenden av sin handkräm: Den ska bete sig som en fast substans för att förhindra att den rinner ut ur tuben innan användaren klämmer på den och inte rinna av användarens hand efter att den har delats ut. Men den ska också bete sig som en vätska när den sprids på huden genom att flyta fritt. De reologiska mätningarna efterliknar dessa olika scenarier med deformation och ingen deformation. Krämens viskositet minskar med ökande skjuvningshastighet: när man klämmer på tuben eller gnider krämen på huden känns den "mindre viskös" än i viloläge - precis som användaren förväntar sig.