Smøreegenskaber for ingredienser til personlig pleje ved hjælp af tribologisk testning

Introduktion

Tribologiområdet (specifikt biotribologi) har fået større opmærksomhed fra Fast Moving Consumer Goods-sektoren i de senere år på grund af den brede vifte af potentielle indsigter, det kan give [1]. Nyligt arbejde har vist vigtigheden og relevansen af tribologiske målinger for forbrugernes opfattelse af produkter til personlig pleje [2], og det er afgørende, at tribologer har værktøjer til at måle en række smøringsregimer med god nøjagtighed og følsomhed.

Denne Application Note opsummerer en undersøgelse af den tribologiske test af vand-glycerol-opløsninger, ingredienser, der er almindelige i produkter til personlig pleje.

Konfiguration af tribologicelle

Konfigurationen bestod af en 3-Ball Tribology Upper Geometry (kuglens midtpunktsradius = 11,25 mm fra midten) og en 3D-printet kop (se figur 1 og 2), der blev fastgjort med et klæbemiddel til en flad pladegeometri for nem montering. Den 3D-printede kop gør det muligt for kontaktfladerne at være under fuld nedsænkning, hvilket har fordelene ved a) at fjerne potentielle artefakter for dårligt dækkede overflader og b) bedre replikere virkelige miljøer som munden (f.eks. for mad og tandpasta), hvor tribologi er vigtig. Målingerne blev udført ved laboratorietemperatur (20 °C).

Bundgeometrien er designet til at gøre det nemt at udskifte bundfladerne. Bundmaterialet var en silikoneelastomer (silikoneelastomer type: vmq, SAMCO), udstanset fra et arkmateriale og rengjort med isopropanol før brug. Der blev brugt en ny overflade til hver måling. Materialet egner sig til at producere gentagelige prøver og blev valgt, da det er blevet brugt som en analog mundoverflade i tidligere forskning.

Fastgørelsen med tre kugler har den fordel, at den giver cyklisk overfladekontakt under steady state-måling. Det giver mulighed for en mere "realistisk" simulering af scenarier, der opleves i forbindelse med personlig pleje, f.eks. når man gnider en dermatologisk creme på huden, hvor materialet transporteres og komprimeres ujævnt mellem kontakterne. Det kan dog resultere i dårlig reproducerbarhed af målingerne, hvis materialerne er svære at sprede konsekvent, f.eks. materialer med UdløbsspændingFlydespænding er defineret som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og som en væske, når det giver efter.flydespænding, under de første målinger med lav glidehastighed.

tribologicelle med 1 kugle versus 3 kugler

Tribologicellen med én kugle er et fornuftigt valg til at simulere nogle applikationer til personlig pleje, men på grund af dette designs natur forbyder den radial og tangentiel bevægelse af materialet og fremkalder kun tangentiel fordeling, hvilket er marginalt mindre realistisk. Tribologicellen med én kugle ville være velegnet til meget modelagtige systemer, hvor minimering af måleartefakter foretrækkes frem for applikationssimulering.

Målebetingelser

Testene blev udført med et fyldningsniveau på ca. 3/4 (~25 g) i 3-kuglegeometrien for at muliggøre konstant udskiftning af smøremateriale og for at reducere sandsynligheden for, at et tyndt smøremiddellag fjernes fra overfladen ved høj hastighed på grund af centrifugalkraften.

Resultater og diskussion

Følgende beregninger blev udført for at belyse friktionskoefficienten (CoF) og den (lineære) glidehastighed, U, i mm/s.

hvor Γ er drejningsmoment, R er radius til kuglens midtpunkt (11,25 mm), og_FN er normalkraft.

U= ωR

hvor ω er vinkelhastigheden i rad/s.

De fleste af de viste data stemmer godt overens med traditionel smøreadfærd (se figur 3 og 4). Ved lave glidehastigheder er der uafhængighed af glidehastigheden, hvilket indikerer et regime med total overfladekontakt. Ved stigende glidehastigheder reduceres CoF, hvilket indikerer et blandet regime, hvor der er delvis overfladekontakt og smøring. Endelig observeres en stigning i CoF, hvilket indikerer det hydrodynamiske smøresystem, hvor der opnås fuld overfladeseparation, og de tribologiske egenskaber bestemmes af smøremidlets bulkreologi, primært viskositet. CoF-værdierne ligger inden for fornuftige intervaller, og værdier over 1 er mulige selv i velsmørende systemer med smøremidler med høj viskositet.

Med stigende glycerolkoncentration er der en stigning i CoF ved lave glidehastigheder, der straks vendes, når glycerolindholdet er 100 w/w%. Desuden skifter starten på det hydrodynamiske regime med stigende glycerolkoncentration til lavere glidehastigheder og er derfor bedre smøremidler. CoF-værdier for alle opløsninger, bortset fra 100 w/w% glycerol, er ens ved høje glidehastigheder.

For at adskille viskositets- og overfladeinteraktionseffekter kan data plottes som viskositetskorrigeret glidehastighedsprodukt, ηU.

Tabel 1: Steady-state tilsyneladende viskositet af forskellige vand-glycerol-opløsninger

De forskellige opløsninger falder delvist sammen på en hovedkurve med tydelige afvigelser ved høje glidehastigheder; dette kunne tyde på, at en large del af forskellene mellem prøverne kan tilskrives opløsningens viskositet. Mere tyktflydende opløsninger kan understøtte højere normale belastninger, og opløsninger med lav viskositet kan let afvises mellem overfladerne, hvilket fører til overfladekontakt og en højere CoF.

Variationen ved høje glidehastigheder, der vises i de viskositetskorrigerede diagrammer, kan meget vel skyldes, at forskellene i masseviskositet fører til mere markante ændringer i momentaflæsningerne.

Konklusioner

Tribologi-geometrien med 3 kugler kan skelne mellem forskellige newtonske opløsninger med en rimelig grad af nøjagtighed. Højere glycerolindhold ser ud til at give bedre smøreevne ved lavere glidehastigheder for en kontakt mellem rustfrit stål og silikoneelastomer.

Disse resultater viser vigtigheden af formulering i fødevare- og personlig plejeindustrien, hvor faktorer som mundfornemmelse eller produktopfattelse på huden er relevante. Derfor er de tribologiske egenskaber vigtige at forstå for produkter som lotioner (emulsioner), salver, cremer, tandpastaer og endda fødevarer.