Bestimmung der Rotationsviskosität von Körperpflegeprodukten mit dem ViscoQC

Optimal angepasste Viskositäten von Körperpflegeprodukten sind mit der ViscoQC-Serie der Anton Paar GmbH garantiert. Von raschen Einpunkt-Messungen bis hin zu mühelosen Fließgrenzenbestimmungen von Gelen und Lotionen: Mit dem ViscoQC sind hochwertige Endprodukte kein Zufall.

Die Untersuchung des Fließverhaltens von Körperpflegeprodukten ist ein grundlegender Bestandteil in deren Qualitätskontrolle. Manche Produkte wie Gele und Lotionen benötigen eine bestimmte Viskosität, damit sie sanft aufgetragen werden können und die Erwartungen der Kunden erfüllen. Ein Parameter, der dabei besonders wichtig ist, ist die sogenannte Fließgrenze: Diese definiert die Kraft, die auf ein Material einwirken muss, damit dieses zu fließen beginnt. Die Fließgrenze beeinflusst, inwiefern die Materialien verarbeitet werden können, da z. B. die Pump- und Mischgeschwindigkeit von ihr abhängen. Daneben spielt sie eine wichtige Rolle für die Nutzung des Endprodukts: Beispielsweise beim Ausdrücken von Lotion, Gel oder Zahnpasta, beim Auftragen von Lotion auf der Haut oder beim Stylen der Haare mit Gel zur perfekten Frisur. Eine gut angepasste Fließgrenze stellt die mühelose Anwendung sicher und gewährleistet somit die Zufriedenheit der Kunden.

Versuch

Die Viskositäten von Zahnpasta und Haargel wurden mit der ViscoQC-Serie mit Flügelrührer bestimmt. Für rasche Einpunkt-Messungen wird ein ViscoQC 100 – R verwendet. Zur Bestimmung der Fließgrenze ist eher das ViscoQC 300 – R geeignet. Hierfür muss das ViscoQC 300 mit dem Software-Paket V-Curve erweitert werden, um die statische Fließgrenzen-Methode mit Flügelspindeln freizuschalten.

Tabelle 1: Konfiguration und Messbedingungen für Viskositätstests von Zahnpasta und Haargel. *V73/V72 wurden für Haargel verwendet, V75 für Zahnpasta. **5 U/min für Messungen an Haargel, 1 U/min für Zahnpasta.

Versuchsablauf und Durchführung

Zahnpasta und Haargel wurden jeweils in ein 600 mL Bechergläser gefüllt. Die Bechergläser wurden mit Hilfe des adaptierbaren Messbecherhalters mittig ausgerichtet. Für Einpunkt-Messungen mit dem ViscoQC 100 wurde eine Drehzahl von 5 U/min (Haargel) und 1 U/min (Zahnpasta) im Modus „Stopp bei Zeit (@t)“ mit einer Messzeit von 1 Minute vorgegeben.

Für die Messungen der Fließgrenze mit dem ViscoQC 300 wurde die „Yield Stress Method“ (YiS) wie nachfolgend beschrieben programmiert:

• Nullpunkt setzen: Diese Option wurde mit einer Drehzahl von 0,1 U/min auf „aktiv“ gesetzt. Beim Einstellen des Nullpunkts wird das Drehmoment auf 0 % gesetzt. Dies ist wichtig, da beim Eintauchen des Flügelrührers möglicherweise etwas Drehmoment auf die Probe einwirkt. Hierdurch könnte das Ergebnis der Fließgrenzenbestimmung bereits verfälscht werden.
  • Für die Testdrehzahl wurde für beide Proben ein Wert von 0,1 U/min gewählt.
  • Die Drehmoment-Reduktion ist auf
    100 % eingestellt. Damit wird der Test beendet, sobald keine Drehmoment-steigerung mehr erkennbar ist.
  • Die Zusatzzeit wurde auf 30 Sekunden eingestellt. Mit einer solchen Zusatzzeit können Sie das Fließverhalten nach Erreichen der Fließgrenze beobachten.

Ergebnisse und Diskussion

Zur Messung des Fließverhaltens von Zahnpasta und Haargel wurden Flügelrührer verwendet: Flügelrührer zerstören die Struktur pastöser Materialien beim Eintauchen nicht. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber z. B. zylindrischen Messsystemen. Die mittels Einpunkt-Messung mit dem ViscoQC 100 erfassten Viskositätswerte für Zahnpasta und Haargel sind in Tabelle 2 aufgeführt. Für Rotationsmessungen mit Flügelrührern wird eine Drehzahl von maximal 10 U/min empfohlen.

Tabelle 2: Gemittelte Viskositätswerte von Zahnpasta und Haargel bei 1 beziehungsweise 5 U/min, gemessen mit einem ViscoQC 100-R.

Die Viskosität von Zahnpasta lag über der von Haargel. Beide Proben zeigen ein scherverdünnendes Verhalten.

Zur Bestimmung der Fließgrenze mit dem ViscoQC 300 werden die Flügelrührer mit einer sehr niedrigen Drehzahl bewegt; zugleich werden Schubspannung und Auslenkung während der Messung in einem Online-Diagramm als Funktion der Zeit dargestellt (Abbildung 1). Mit Erreichen der Fließgrenze, sprich: wenn die Probe zu fließen beginnt, steigt die Schubspannung nicht weiter an. Die maximale Schubspannung, die im Zeitverlauf beobachtet wurde, entspricht der Fließgrenze (rote Linie, Abbildung 1).

Die Fließgrenze und alle entsprechenden Parameter können in einer PDF-Datei als Diagramm aus dem Datenspeicher exportiert werden (Abbildung 2).

Die Mittelwerte der Fließgrenze für Zahnpasta und Haargel lagen bei 273 N/m² beziehungsweise bei 18,7 N/m². Das bedeutet, dass bei Zahnpasta mehr Kraft benötigt wird als bei Haargel, um die Proben aus den Tuben zu drücken.