在旋转流变仪上使用触变性测试
定量评估挤出或喷涂后的粘度恢复
简介
许多消费产品包装在管或者瓶中,其使用方法牵涉到以泵送的方式让产品通过喷嘴。这类产品多表现为剪切变稀特性,在挤出过程中,由于剪切速率的增加导致粘度下降,然后在离开孔口后,随着剪切速率的降低,粘度恢复。此过程涉及的剪切速率与孔口半径r、体积流速Q相关,可由下式表示:
参数n是幂律指数,对于牛顿流体为1,对于非牛顿流体为0 - 1之间。对样品进行变剪切速率测试,再使用幂律模型对数据进行拟合,可得到这一数值。
通过测量体积流速(在一定时间内挤出的体积)和孔的内半径,可以估算挤出过程的相关剪切速率。该值可以输入到步阶式剪切速率测试(图1)中。测试首先在一定的时间内以低剪切速率剪切样品(模拟挤出之前),然后再提高到目标剪切速率(模拟挤出过程)。随着剪切速率下降到其初始值,粘度逐渐恢复。该测试展示了样品在挤出后的粘度恢复快慢,并与产品使用过程中的厚度或粘度相关。
图1 步阶速率测试中的触变性
可以通过在第一阶段结束时测量最终粘度,以及在第三阶段计算粘度恢复到一定比例所花费的时间,来对触变性进行量化表征。该数值可用于产品或配方之间的比较,广泛地应用于各个行业。
方法
在与产品使用过程中的挤出相关的剪切速率条件下,评估了牙膏和润肤露的粘度恢复特性。
测量使用Kinexus旋转流变仪,Peltier温控单元,糙面平行板夹具,以及rSpace软件中标准的预配置程序。
使用标准的装样步骤,以确保两个样品都经历一致且可控的装样方式。
所有流变学测量均在25°C下进行。
输入挤出体积,挤出时间和孔径半径,可以自动计算出相关的挤出剪切速率,并将其作为测试程序的一部分。
在步阶式剪切速率测试中,以该计算值作为中间阶段的剪切速率,其前后使用0.1s-1的恒定剪切速率。
自动测定产品恢复90%原始粘度所需时间,并在测试结束时报告。
结果
使用自动计算器,计算了产品挤出时的剪切速率为:牙膏为34 s-1,润肤露为840 s-1。在步阶测试的中间阶段应用了这些剪切速率。
图2显示了牙膏的测试结果。 显然,这是一种高度触变性的材料,因为它无法在测试时间内完全恢复其结构,大约需要6分钟才能恢复到其原始粘度的70%。
图2 牙膏的阶段剪切速率曲线
相比之下,图3中所示的润肤露几乎可以完全恢复其原始粘度,并且仅需7秒即可获得与牙膏相同百分比的恢复,恢复到90%也仅需23秒即可。该材料可归为基本没有触变性。
图3 润肤露的步阶剪切速率曲线
对于消费者来说,这意味着润肤露在与皮肤接触后会很快重组结构,这可以防止过度铺展或可能发生的滴落。牙膏在刷牙之前停留在牙刷上的粘度较低,这将使其更易于在口腔中分布开,并可能影响感官特性。当然,牙膏的粘度也不能低到可以流过刷毛、或在刷毛上下垂的程度。
结论
对牙膏和润肤露进行了三步剪切速率测试,用来评估分别从管和瓶中挤出后的粘度恢复程度。牙膏显示出高度的触变性,需要6分钟才能恢复其原始粘度的70%。然而润肤露仅需7秒即可达到相同程度的恢复,两相比较,可以认为润肤露是非触变性的。
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