Úvod
Obor tribologie (konkrétně biotribologie) si v posledních letech získává stále větší pozornost v odvětví rychloobrátkového zboží díky širokému spektru potenciálních poznatků, které může přinést [1]. Nedávná práce ukázala důležitost a význam tribologických měření pro vnímání výrobků osobní péče spotřebiteli [2] a je velmi důležité, aby tribologové měli k dispozici nástroje pro měření řady mazacích režimů s dobrou přesností a citlivostí.
Tato aplikační poznámka shrnuje studii tribologického testování roztoků vody a glycerolu, složek běžných ve výrobcích osobní péče.
Konfigurace tribologické buňky
Konfigurace se skládala z horní geometrie s třemi kuličkami (poloměr středu kuličky = 11,25 mm od středu) a 3D tištěného pohárku (viz obr. 1 a 2), který byl pomocí lepidla připevněn k ploché desce pro snadnou montáž. Kelímek vytištěný na 3D tiskárně umožňuje, aby byly kontaktní plochy pod plným ponorem, což má ty výhody, že a) odstraňuje potenciální artefakty u špatně pokrytých povrchů a b) lépe kopíruje reálné prostředí, jako jsou ústa (např. u potravin a zubní pasty), kde je tribologie důležitá. Měření byla prováděna při laboratorní teplotě (20 °C).
Geometrie dna je navržena tak, aby bylo možné snadno vyměnit spodní povrchy. Materiálem povrchu dna byl silikonový elastomer (Silicone Elastomer type: vmq, SAMCO), vyražený z deskového materiálu a před použitím očištěný izopropanolem. Pro každé měření byl použit nový povrch. Tento materiál je vhodný pro výrobu opakovatelných vzorků a byl vybrán, protože byl použit jako analog ústního povrchu v předchozím výzkumu.
Výhodou tříkulového nástavce je, že během měření v ustáleném stavu zajišťuje cyklický kontakt s povrchem. To umožňuje "realističtější" simulaci scénářů, k nimž dochází při osobní péči, jako je například roztírání dermatologického krému na pokožku, kdy je materiál mezi jednotlivými kontakty nerovnoměrně transportován a stlačován. To však může mít za následek špatnou reprodukovatelnost měření, pokud se materiály během počátečních měření s nízkou rychlostí klouzání obtížně rovnoměrně roztírají, například materiály s mezí kluzu.
tribologická buňka s 1 kuličkou a 3 kuličkami
Tribologická buňka s jednou kuličkou je rozumnou volbou pro simulaci některých aplikací osobní hygieny, ale vzhledem k povaze této konstrukce zakazuje radiální a tangenciální pohyb materiálu a vyvolává pouze tangenciální rozdělení, což je nepatrně méně realistické. Tribologická buňka s jednou kuličkou by byla vhodná pro velmi modelové systémy, kde je upřednostňována minimalizace artefaktů měření před simulací aplikací.
Podmínky měření
Zkoušky byly prováděny s přibližně 3/4 náplně (~25 g) v geometrii se třemi kuličkami, aby byla umožněna neustálá výměna mazacího materiálu a aby se snížila pravděpodobnost odstranění tenké vrstvy maziva z povrchu při vysoké rychlosti v důsledku odstředivé síly.
Výsledky a diskuse
Následující výpočty byly provedeny za účelem objasnění koeficientu tření (CoF) a (lineární) rychlosti skluzu U v mm/s.
kde Γ je točivý moment, R je poloměr ke středu koule (11,25 mm) a FN je normálová síla.
U= ωR
kde ω je úhlová rychlost v rad/s.
Většina zobrazených údajů se dobře shoduje s tradičním chováním při mazání (viz obrázky 3 a 4). Při nízkých kluzných rychlostech se projevuje nezávislost na kluzné rychlosti, což svědčí o režimu úplného povrchového kontaktu. Při rostoucích kluzných rychlostech se CoF snižuje, což svědčí o smíšeném režimu, kdy dochází k částečnému kontaktu asperity povrchu (povrchů) a mazání. Nakonec je pozorován nárůst CoF, což svědčí o režimu hydrodynamického mazání, kdy je dosaženo úplné separace povrchu a tribologické vlastnosti jsou určovány objemovou reologií maziva, převážně viskozitou. Hodnoty CoF se pohybují v rozumných mezích, hodnoty vyšší než 1 jsou možné i v dobře mazaných systémech s mazivy s vysokou viskozitou.
Se zvyšující se koncentrací glycerolu dochází k nárůstu CoF při nízkých rychlostech klouzání, který se při obsahu glycerolu 100 % hmot. okamžitě obrací. Kromě toho se se zvyšující se koncentrací glycerolu posouvá nástup hydrodynamického režimu k nižším kluzným rychlostem, a jsou proto lepšími mazivy. Hodnoty CoF pro všechny roztoky kromě 100 w/w% glycerolu jsou při vysokých kluzných rychlostech podobné.
Pro oddělení vlivu viskozity a interakce povrch-povrch lze údaje vynést do grafu jako součin viskozitou korigované kluzné rychlosti, ηU.
Tabulka 1: Zdánlivá viskozita různých roztoků vody a glycerolu v ustáleném stavu
| PoměrH2O: glycerol | Průměrná viskozita (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 |
Různé roztoky se částečně rozpadají na hlavní křivku, přičemž zjevné odchylky se objevují při vysokých rychlostech klouzání; to by mohlo naznačovat, že large část rozdílů mezi vzorky lze přičíst viskozitě roztoku. Viskoznější roztoky mohou podporovat vyšší normálové zatížení, roztoky s nízkou viskozitou mohou být snadno odmítnuty mezi povrchy, což vede k povrchovému kontaktu a vyššímu CoF.
Rozdíly při vysokých kluzných rychlostech, které se projevují na grafech korigovaných na viskozitu, mohou být způsobeny rozdíly v objemové viskozitě, které způsobují výraznější změny v naměřených hodnotách točivého momentu.
Závěry
Geometrie 3 kuliček Tribology dokáže rozlišit různá newtonovská řešení s přiměřenou přesností. Zdá se, že vyšší obsah glycerolu zajišťuje lepší mazivost při nižších kluzných rychlostech pro kontakt nerezové oceli a silikonového elastomeru.
Tyto výsledky ukazují důležitost složení v potravinářském průmyslu a v průmyslu osobní hygieny, kde jsou důležité faktory, jako je pocit v ústech nebo vnímání výrobku na pokožce. Proto je důležité porozumět tribologickým vlastnostem u výrobků, jako jsou pleťové vody (emulze), masti, krémy, zubní pasty a dokonce i potraviny.