مقدمة
يكتسب مجال علم الترايبولوجي (وتحديدًا علم الترايبولوجي الحيوي) اهتمامًا متزايدًا من قطاع السلع الاستهلاكية سريعة التداول في السنوات الأخيرة نظرًا لمجموعة واسعة من الرؤى المحتملة التي يمكن أن يقدمها [1]. وقد أظهرت الأعمال الحديثة أهمية القياسات الترايبولوجية وصلتها بتصور المستهلك لمنتجات العناية الشخصية [2]، ومن الأهمية بمكان أن يكون لدى علماء الترايبولوجي أدوات لقياس مجموعة من أنظمة التزييت بدقة وحساسية جيدة.
تلخص هذه المذكرة التطبيقية دراسة للاختبار الترايبولوجي لمحاليل الماء والجلسرين، وهي مكونات شائعة في منتجات العناية الشخصية.
تكوين خلية الترايبولوجيا
يتألف التكوين من 3 كرات هندسة ترايبولوجي علوية ذات 3 كرات (نصف قطر نقطة منتصف الكرة = 11.25 مم من المركز) وكوب مطبوع ثلاثي الأبعاد (انظر الشكلين 1 و2)، مثبتة باستخدام مادة لاصقة على لوحة هندسية مسطحة لسهولة التركيب. يسمح الكوب المطبوع ثلاثي الأبعاد بأن تكون أسطح التلامس مغمورة بالكامل مما له فوائد أ) إزالة القطع الأثرية المحتملة للأسطح غير المغطاة بشكل جيد، ب) محاكاة أفضل لبيئات العالم الحقيقي مثل الفم (على سبيل المثال، للطعام ومعجون الأسنان) حيث يكون الترايبولوجي مهمًا. تم إجراء القياسات في درجة حرارة المختبر (20 درجة مئوية).
تم تصميم هندسة القاع للسماح بتبديل الأسطح السفلية بسهولة. كانت مادة السطح السفلي عبارة عن لدائن سيليكون (سيليكون من نوع الإيلاستومر: vmq، SAMCO)، مثقوبة من مادة الصفيحة وتم تنظيفها باستخدام الأيزوبروبانول قبل الاستخدام. تم استخدام سطح جديد لكل قياس. تفسح هذه المادة المجال لإنتاج عينات قابلة للتكرار وتم اختيارها حيث تم استخدامها كنظير لسطح الفم في الأبحاث السابقة.
يتميز المرفق ثلاثي الكرات بميزة توفير تلامس دوري للسطح أثناء قياس الحالة المستقرة. وهذا يسمح بمحاكاة "أكثر واقعية" للسيناريوهات التي تحدث في مجال العناية الشخصية، مثل فرك كريم الجلد على الجلد، حيث يتم نقل المواد وضغطها بشكل غير متساوٍ بين التلامس. على الرغم من أن هذا يمكن أن يؤدي إلى ضعف استنساخ القياس إذا كان من الصعب نشر المواد باستمرار، مثل تلك التي تعاني من إجهاد الخضوع، أثناء القياسات الأولية منخفضة سرعة الانزلاق.


1-الكرة مقابل 3-خلية ترايبولوجيا الكرة 1 مقابل 3-خلية ترايبولوجيا الكرة 3
تُعد خلية الترايبولوجي ذات الكرة الواحدة خيارًا مناسبًا لمحاكاة بعض تطبيقات العناية الشخصية، ولكن نظرًا لطبيعة هذا التصميم، فإنه يحظر الحركة الشعاعية والماسية للمادة، حيث لا يُحدث سوى التوزيع المماسي، وهو ما يكون أقل واقعية بشكل هامشي. ستكون خلية الترايبولوجي ذات الكرة الواحدة مناسبة تمامًا للأنظمة النموذجية جدًا حيث يُفضل تقليل القطع العرضية للقياس على محاكاة التطبيق.
شروط القياس
أُجريت الاختبارات بمستوى تعبئة 3/4 تقريبًا (حوالي 25 جم) في هندسة 3 كرات للسماح بالاستبدال المستمر لمادة التشحيم، ولتقليل احتمالية إزالة طبقة التشحيم الرقيقة من السطح بسرعة عالية، بسبب قوة الطرد المركزي.
النتائج والمناقشة
تم إجراء العمليات الحسابية التالية لتوضيح معامل الاحتكاك (CoF) وسرعة الانزلاق (الخطية)، U، بالملليمتر/ثانية.

حيث Γ هو عزم الدوران، وR هو نصف القطر إلى نقطة منتصف الكرة (11.25 مم) وFN هو القوة العمودية.
U= ωR
حيث ω هي السرعة الزاوية بالراديان/ث.
تتفق معظم البيانات المعروضة بشكل جيد مع سلوك التشحيم التقليدي (انظر الشكلين 3 و4). عند سرعات الانزلاق المنخفضة، يوجد استقلالية في سرعة الانزلاق مما يشير إلى نظام تلامس سطحي كلي. عند زيادة سرعات الانزلاق، ينخفض معامل معامل معامل التزييت، وهو ما يشير إلى نظام مختلط حيث يوجد تلامس جزئي للسطح (الأسطح) وتزييت جزئي. وأخيرًا، لوحظت زيادة في معامل معامل التزييت، مما يدل على نظام التزييت الهيدروديناميكي حيث يتحقق الفصل الكامل للسطح ويتم تحديد الخصائص الترايبولوجية من خلال الانسيابية السائبة لمادة التشحيم، وهي اللزوجة في الغالب. تكون قيم معامل التزييت ضمن النطاقات المعقولة، والقيم التي تزيد عن 1 ممكنة حتى في أنظمة التشحيم الجيدة مع مواد التشحيم عالية اللزوجة.


مع زيادة تركيز الجلسرين، تحدث زيادة في معامل معامل التكسير عند سرعات انزلاق منخفضة تنعكس على الفور عندما يكون محتوى الجلسرين 100٪ بالوزن/الوزن. وبالإضافة إلى ذلك، مع زيادة تركيز الجلسرين تتحول بداية النظام الهيدروديناميكي إلى سرعات انزلاق أقل، وبالتالي تكون مواد تشحيم أفضل. تتشابه قيم معامل معامل التزجيج لجميع المحاليل، بخلاف الغليسيرول بنسبة 100/وزن/وزن في المائة من الغليسيرول، عند سرعات الانزلاق العالية.
لفصل تأثيرات اللزوجة والتفاعل بين السطح والسطح، يمكن رسم البيانات كمنتج سرعة انزلاق مصحح اللزوجة ηU.
الجدول 1: اللزوجة الظاهرية للحالة الثابتة لمختلف محاليل الماء والجلسرين
H2O: نسبة الجلسرينول إلى الماء | متوسط اللزوجة (باسكال) | ±σ |
---|---|---|
1:0 | 0.0013 | 0.0004 |
0.75:0.25 | 0.0021 | 0.0009 |
0.5:0.5 | 0.0064 | 0.0012 |
0.25:0.75 | 0.0230 | 0.0028 |
0.1 | 0.8259 | 0.0392 |
تنهار المحاليل المختلفة جزئيًا على منحنى رئيسي مع ظهور انحراف واضح عند سرعات الانزلاق العالية؛ وقد يشير ذلك إلى أن جزءًا large من الاختلافات بين العينات يمكن أن يُعزى إلى لزوجة المحلول. يمكن أن تدعم المحاليل الأكثر لزوجة الأحمال العادية الأعلى، ويمكن رفض المحاليل منخفضة اللزوجة بسهولة من بين الأسطح، مما يؤدي إلى تلامس السطح وارتفاع معامل معامل التماسك.
قد يرجع التباين عند سرعات الانزلاق العالية الموضحة في المخططات المصححة اللزوجة إلى الاختلافات في اللزوجة السائبة التي تؤدي إلى تغييرات أكثر أهمية في قراءات عزم الدوران.
الاستنتاجات
يمكن لهندسة الترايبول الثلاثي الكرات التمييز بين المحاليل النيوتونية المختلفة بدرجة معقولة من الدقة. يبدو أن المحتوى العالي من الجلسرين يوفر تزييتًا أفضل عند سرعات انزلاق أقل للتلامس بين الفولاذ المقاوم للصدأ واللدائن السيليكونية.
تُظهر هذه النتائج أهمية التركيب في صناعة الأغذية والعناية الشخصية، حيث تكون عوامل مثل ملمس الفم أو إدراك المنتج على الجلد ذات صلة. ولذلك، من المهم فهم الخصائص الترايبولوجية لمنتجات مثل المستحضرات (المستحلبات) والمراهم والكريمات ومعاجين الأسنان وحتى الأطعمة.