擠牙膏需要多大的力量 ——牙膏的屈服應力

簡介：牙膏，是一種具有粘彈性的日常用品。牙膏具備復雜的 結構，其中的各類組分會影響到其流變性能，比如研磨 劑可以向牙刷的清潔功能提供支持，水份因子可以防止 牙膏邊干以及連接劑可以防止牙膏的水組分和固體的相 分離。流變在整個牙膏產品研發生產過程中扮演者重要 角色，涉及牙膏的灌裝，包裝以及用戶滿意程度等各個 方面 [1]。本文主要關注點是不同牙膏的屈服應力。牙膏 的屈服應力直接關系到需要多大的力量將其原始結構破 壞進而使其流動。擠壓是使牙膏流出的主要方式。因此 必須要施加足夠的擠壓力量并超過牙膏的屈服應力才能 完成這個過程。本文選擇了兩種牙膏來進行相關測試， 成人及兒童牙膏，根據文獻 [2] 的描述來進行相關測試及 評估。
測試儀器
本文使用賽默飛 哈克  Viscotester iQ 智能流變儀進行 相關測試。這臺儀器使用的是EC 電機，可以完成各類 方法測試，包括控制速率及控制應力，且覆蓋很寬的測 量范圍。溫控單元采用的是自帶帕爾貼系統，可實現 -5 到 160 ℃ . 區間快速穩定的溫度控制。實驗使用直徑 35 毫米平行板夾具進行，為了防止打滑，采用了刻痕夾具。 測量下板與上板具有相同的直徑及表面，這樣可以保證 理想的測試條件及最優化的樣品裝填 [3]。另外，這類夾 具需要的樣品量非常少，加樣時間和溫度平衡時間短， 并且容易清理。另外，在實驗中還使用了防揮發罩來降 低樣品內部的水份蒸發和溫度梯度。
樣品準備首先，將少量牙膏先擠到測量下板上（圖1），然 后將測量上板下降到設定的測量間隙。這個過程中， 包括擠壓與樣品裝填都給樣品一個預剪切作用，因 此需要給樣品一個松弛時間以去除應力及其他效應 對實驗的影響。

哈克 RheoWin 軟件及其他操作方式
哈克 Viscotester iQ智能流變儀單獨使用可以通過多種方法進 行操作，其中使用哈克 TM RheoWinTM 軟件可以實現 最大的操作靈活性。此次實驗過程如下：當樣品在 20℃下靜置5 分鐘后，儀器會以對數的方式在180秒內施加一個從20-400Pa 的剪切應力，并采集180 個 數據點，當形變超過 20（2000%）后在程序中添加一個 中斷條件。將實驗得到的形變對剪切應力變化的結果以 雙對數進行作圖，然后根據切線交點方法來擬合出樣品 的屈服應力。 另外，哈克 Viscotester iQ智能流變儀也可以利用內置 的測量方法不通過軟件單獨工作[ 圖 2]，特別推薦在標 準測試和評估過程中使用這種方式進行實驗，方便快捷。

實驗結果與討論
成人及兒童牙膏的測試曲線在圖3 中顯示。每個樣品進 行了兩次實驗，表現出極高的重復性。樣品的屈服應力 總結在表 1 中。與預期的一樣，兒童牙膏的屈服應力大 約為55Pa 左右，比成人牙膏的215Pa 低很多。哈克 TM RheoWinTM 軟件提供了兩種屈服應力分析模式，自動和 手動（圖4）。當儀器不連接軟件時，則只可以使用自動分析模式。手動模式進行分析在可以更加靈活的來進 行準確的數據評估。通常用來評估屈服應力的數據范圍 可以通過觀察直接得到，如表 1 中所顯示結果。但是屈 服應力往往依賴于樣品準備，測試過程以及評估方法。 圖 5 就給出了對于兒童牙膏才去自動模式和手動模式獲 得的結果的區別。



總結牙膏的屈服應力是滿足不同用戶群對產品期望值的一 個重要的流變參數。屈服應力很大程度上取決于樣品 的準備歷史，測試條件及評估方法。賽默飛 哈克 Viscotester iQ智能流變儀是一款滿足現代質控需求的復合 型儀器，具備模塊化設計，其豐富的附件及測試范圍可以滿足各類測試需要。該儀器具備夾具快速連接及識別 功能及智能升降功能，并提供多種靈活的操作方法。