Giriş
Bir ürünün reolojik özellikleri, tüketici tarafından görsel ve dokusal olarak nasıl algılandığını ve ürünün kullanımı sırasında nasıl davranacağını etkileyebilir. Örneğin, çok kayma inceltici malzemeler uygulanan stresteki değişikliklere oldukça duyarlı olurken, Newtonian malzemeler çok daha az bağımlılık gösterecektir. Böyle bir tepki, yayılma kolaylığı veya 'yayılabilirlik' göz önünde bulundurulduğunda önemlidir.
Yayılma süreci, Şekil 1'de gösterildiği gibi daha geniş bir yüzey alanına dağıldığı için tabaka kalınlığında sonuç olarak bir azalmaya neden olur. Kayma hızı, uygulanan hızın katman kalınlığına bölünmesine eşit olduğundan, yayılma bu nedenle tek bir kayma hızına atfedilemez.
Yayılabilirliği değerlendirmenin daha iyi bir yolu, Şekil 2'de gösterildiği gibi bir dizi kayma hızı boyunca viskozitedeki değişimi karakterize etmektir. İlgilenilen bölge kayma incelmesi veya güç kanunu bölgesidir, çünkü bu, malzeme yapısının uygulanan kayma ile ne kadar kolay bozulduğunu açıklar. Bu bölge, sabit bir gradyan ile kayma hızına karşı viskozitenin log-log grafiğinde doğrusal görünür, ancak doğrusal bir ölçekte çizildiğinde güç yasasına bağımlılık gösterir.
Matematiksel olarak, akış eğrisinin bu bölgesi Denklem 1 ile verilen Güç Yasası veya Ostwald de Waele Modeli kullanılarak tanımlanabilir.
𝜎 = 𝑘𝛾̇𝑛
k tutarlılıktır
n güç kanunu indeksidir
σ kayma gerilimidir
𝛾̇ kayma hızıdır
Tutarlılık Pasn birimine sahiptir ancak sayısal olarak 1s-1'de ölçülen viskoziteye eşittir. Güç yasası indeksi çok kayma inceltici malzemeler için 0 ile Newtonian malzemeler için 1 arasında değişir. Gerekli StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres girdisi ne kadar düşükse, malzemenin yayılması o kadar kolay olmalıdır. Daha düşük bir k değeri daha düşük viskozite ve dolayısıyla daha düşük StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres girdisi anlamına gelirken, daha düşük bir n değeri daha fazla kayma incelmesi anlamına gelir ve bu da artan kayma oranıyla birlikte smaller StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres artışı anlamına gelir.
Bu bilgi Şekil 3'te gösterilene benzer bir grafik üzerinde gösterilebilir. Düşük k değerlerine ve/veya düşük n değerlerine sahip malzemeler en kolay yayılabilen malzemeler olmalıdır.
Deneysel
- Bir dizi tüketici ürününün yayılabilirliği, bir kayma hızı rampa testi gerçekleştirilerek ve ortaya çıkan eğri bir Güç Yasası ModeliGüç yasası modeli, bir numunenin kayma incelmesi yapısını ölçmek için (tipik olarak) yaygın bir reolojik modeldir ve sıfıra yakın değer daha fazla kayma incelmesi olan bir malzemeyi gösterir.güç yasası modeli kullanılarak analiz edilerek değerlendirilmiştir.
- Rotasyonel reometre ölçümleri, Peltier plaka kartuşu ve pürüzlendirilmiş paralel plaka ölçüm sistemine1 sahip bir Kinexus rotasyonel reometre kullanılarak ve rSpace yazılımında önceden yapılandırılmış standart diziler kullanılarak yapılmıştır.
- Her iki numunenin de tutarlı ve kontrol edilebilir bir yükleme protokolüne tabi olmasını sağlamak için standart bir yükleme sırası kullanılmıştır.
- Tüm reoloji ölçümleri 25°C'de gerçekleştirilmiştir.
- Kesme hızı rampa testi kullanılarak bir akış eğrisi oluşturulmuş ve bu eğriye bir Güç Yasası ModeliGüç yasası modeli, bir numunenin kayma incelmesi yapısını ölçmek için (tipik olarak) yaygın bir reolojik modeldir ve sıfıra yakın değer daha fazla kayma incelmesi olan bir malzemeyi gösterir.güç yasası modeli uydurulmuştur.
Sonuçlar ve Tartışma
Şekil 4'te bir dizi ticari ürün için viskozite-kayma hızı eğrisi ve bunlara karşılık gelen uydurma parametreleri, Şekil 5'te ise bunların grafiksel sunumu gösterilmektedir.
Diş macunu ve el kremi benzer k değerlerine sahip olsa da, el kreminin n değeri çok daha düşüktür, bu da onu daha fazla inceltir ve yayılmasını kolaylaştırır. Buna karşılık, şurup ve çikolata sosu çok daha düşük k değerlerine sahiptir, ancak kayma inceltici değildir, bu nedenle uygulama sırasında kalın ve yapışkan görünürler. Vücut losyonu hem nispeten düşük k hem de n değerine sahiptir ve bu da uygulamayı çok daha kolay hale getirir.
Eşdeğer kayma hızlarında sırasıyla bir el kreminin ve şurubun yayılması için gereken gerilimi niceliksel olarak karşılaştırmak için, n ve k değerleri Denklem 1'de ikame edilebilir. Daha kalın bir ürün katmanıyla eşdeğer olabilecek 1s-1 'lik tek bir kayma hızı düşünüldüğünde, bu kayma hızında akışı sürdürmek için gereken gerilim el kremi için 279 Pa ve şurup için 10 Pa'dır (1s-1'de σ = k). Yayılma sürecinden kaynaklanan daha ince bir malzeme tabakasıyla ilgili olan 1000s-1'lik bir kayma hızında, StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres gereksinimi el kremi için 734 Pa'ya ve şurup için 10.000 Pa'ya yükselir. Bu durum, yayılma sürecinde Newtonyen olmayan davranışın önemini vurgulamaktadır.
Sonuç
Çeşitli ticari ürünlerin yayılabilirliğini karakterize etmek için k ve n güç yasası uydurma parametreleri kullanılarak Güç Yasası ModeliGüç yasası modeli, bir numunenin kayma incelmesi yapısını ölçmek için (tipik olarak) yaygın bir reolojik modeldir ve sıfıra yakın değer daha fazla kayma incelmesi olan bir malzemeyi gösterir.güç yasası modeli uydurmalı bir kesme hızı rampa testi kullanılmıştır. k ve n'nin düşük değerleri sırasıyla daha düşük viskoziteye ve daha kolay yayılmaya katkıda bulunacak daha büyük bir kesme incelmesi derecesine işaret eder.
1Testlerinkoni ve plaka veya paralel plaka geometrisi ile yapılması tavsiye edilir; large partikül boyutlarına sahip dispersiyonlar ve emülsiyonlar için ikincisi tercih edilir. Bu tür malzeme türleri, geometri yüzeyinde kayma ile ilgili artefaktları önlemek için tırtıklı veya pürüzlü geometrilerin kullanılmasını da gerektirebilir.