Въведение
През последните години секторът на бързооборотните потребителски стоки обръща все по-голямо внимание на трибологията (по-специално на биотрибологията) поради широкия спектър от потенциални познания, които тя може да предостави [1]. Неотдавнашна работа показа важността и значението на трибологичните измервания за потребителското възприятие на продуктите за лична хигиена [2] и е от решаващо значение триболозите да разполагат с инструменти за измерване на редица режими на смазване с добра точност и чувствителност.
В настоящата приложна бележка е обобщено изследване на трибологичното изпитване на разтвори на вода и глицерол - съставки, често срещани в продуктите за лична хигиена.
Конфигурация на трибологичната клетка
Конфигурацията се състои от горна трибологична геометрия с 3 топчета (радиус на средната точка на топчето = 11,25 mm от центъра) и 3D-отпечатана чаша (вж. Фигури 1 и 2), прикрепени с помощта на лепило към плоска геометрия за лесен монтаж. 3D-отпечатаната чаша позволява контактните повърхности да бъдат под пълно потапяне, което има следните предимства: а) премахва потенциалните артефакти при слабо покрити повърхности и б) възпроизвежда по-добре реални среди като устата (напр. за храна и паста за зъби), където трибологията е важна. Измерванията са проведени при лабораторна температура (20°C).
Геометрията на дъното е проектирана така, че да позволява лесна смяна на дънните повърхности. Материалът на дънната повърхност е силиконов еластомер (Силиконов еластомер тип: vmq, SAMCO), изрязан от листов материал и почистен с изопропанол преди употреба. За всяко измерване се използва нова повърхност. Материалът е подходящ за получаване на повтарящи се проби и е избран, тъй като е използван като аналог на повърхността на устата в предишни изследвания.
Приспособлението с три топчета има предимството да осигурява цикличен контакт с повърхността по време на измерването в стабилно състояние. Това позволява по-реалистична симулация на сценариите, които се наблюдават в личната хигиена, като например втриване на дерматологичен крем върху кожата, при което материалът се пренася неравномерно и се компресира между контактите. Въпреки че това може да доведе до лоша възпроизводимост на измерванията, ако материалите се разпространяват трудно и последователно, като например тези с граница на провлачане, по време на първоначалните измервания с ниска скорост на плъзгане.
трибологична клетка с 1 топче и 3 топчета
Трибологичната клетка с една топка е приемлив избор за симулиране на някои приложения за лична хигиена, но поради естеството на този дизайн тя забранява радиалното и тангенциалното движение на материала, като предизвиква само тангенциално разпределение, което е малко по-малко реалистично. Трибологичната клетка с една топка би била подходяща за много моделни системи, при които минимизирането на измервателните артефакти е за предпочитане пред симулацията на приложения.
Условия за измерване
Тестовете бяха проведени с приблизително 3/4 ниво на запълване (~25 g) в геометрията с 3 топчета, за да се позволи постоянна подмяна на смазочния материал и да се намали вероятността от отстраняване на тънък слой смазка от повърхността при висока скорост поради центробежната сила.
Резултати и обсъждане
Извършени са следните изчисления, за да се изясни коефициентът на триене (CoF) и (линейната) скорост на плъзгане, U, в mm/s.
където Γ е въртящият момент, R е радиусът до средната точка на топката (11,25 mm), а FN е нормалната сила.
U= ωR
където ω е ъгловата скорост в rad/s.
Повечето от показаните данни са в добро съответствие с традиционното поведение на смазване (вж. фигури 3 и 4). При ниски скорости на плъзгане се наблюдава независимост от скоростта на плъзгане, което показва режим на пълен контакт с повърхността. При увеличаване на скоростта на плъзгане CoF намалява, което е показателно за смесен режим, при който има частичен контакт и смазване на аспертите на повърхността(ите). Накрая се наблюдава увеличаване на CoF, което е показателно за режим на хидродинамично смазване, при който се постига пълно разделяне на повърхностите и трибологичните свойства се определят от реологията на смазочния материал в насипно състояние, предимно от вискозитета. Стойностите на CoF са в разумни граници, като стойности над 1 са възможни дори при добре смазващи системи с високовискозни смазочни материали.
С увеличаване на концентрацията на глицерол се наблюдава увеличаване на CoF при ниски скорости на плъзгане, което веднага се обръща, когато съдържанието на глицерол е 100 w/w%. Освен това с увеличаване на концентрацията на глицерол началото на хидродинамичния режим се измества към по-ниски скорости на плъзгане и следователно са по-добри смазочни материали. Стойностите на CoF за всички разтвори, различни от 100 w/w% глицерол, са сходни при високи скорости на плъзгане.
За да се разграничат ефектите на вискозитета и взаимодействието между повърхността и повърхността, данните могат да се нанесат като коригирано спрямо вискозитета произведение на скоростта на плъзгане, ηU.
Таблица 1: Видимият вискозитет в стационарно състояние на различни разтвори на вода и глицерол
| СъотношениеH2O: глицерол | Среден вискозитет (Pa.s) | ±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 |
Различните разтвори частично се сбиват в основната крива с очевидно отклонение, което се появява при високи скорости на плъзгане; това може да означава, че част от large разликите между пробите могат да се припишат на вискозитета на разтвора. По-вискозните разтвори могат да поддържат по-високи нормални натоварвания, а разтворите с нисък вискозитет могат лесно да бъдат отхвърлени от междуповърхностните пространства, което води до контакт с повърхността и по-висок коефициент на полезно действие.
Вариациите при високи скорости на плъзгане, показани в коригираните по вискозитет графики, може да се дължат на разликите в обемния вискозитет, които водят до по-значителни промени в показанията на въртящия момент.
Заключения
Трибологичната геометрия с 3 топки може да разграничи различните нютонови решения с разумна степен на точност. По-високото съдържание на глицерол изглежда осигурява по-добра смазка при по-ниски скорости на плъзгане за контакт неръждаема стомана-силиконови еластомери.
Тези резултати показват значението на формулировката в хранително-вкусовата промишленост и производството на продукти за лична хигиена, където са от значение фактори като усещане в устата или възприемане на продукта върху кожата. Затова е важно да се разберат трибологичните свойства на продукти като лосиони (емулсии), мехлеми, кремове, пасти за зъби и дори храни.