| Published: 

Λιπαντικές ιδιότητες συστατικών προσωπικής φροντίδας μέσω τριβολογικών δοκιμών

Εισαγωγή

Ο τομέας της τριβολογίας (συγκεκριμένα, της βιοτριβολογίας) κερδίζει όλο και μεγαλύτερη προσοχή από τον τομέα των ταχέως κινούμενων καταναλωτικών αγαθών τα τελευταία χρόνια, λόγω του ευρέος φάσματος των πιθανών πληροφοριών που μπορεί να προσφέρει [1]. Πρόσφατες εργασίες έδειξαν τη σημασία και τη συνάφεια των τριβολογικών μετρήσεων με την αντίληψη των καταναλωτών για τα προϊόντα προσωπικής φροντίδας [2] και είναι κρίσιμο οι τριβολόγοι να διαθέτουν εργαλεία για τη μέτρηση ενός εύρους καθεστώτων λίπανσης με καλή ακρίβεια και ευαισθησία.

Αυτό το Σημείωμα Εφαρμογής συνοψίζει μια μελέτη των τριβολογικών δοκιμών διαλυμάτων νερού-γλυκερόλης, συστατικών κοινών σε προϊόντα προσωπικής φροντίδας.

Διαμόρφωση κυψέλης τριβολογίας

Η διαμόρφωση αποτελούνταν από μια ανώτερη γεωμετρία 3-Ball Tribology (ακτίνα μέσου σημείου σφαίρας = 11,25 mm από το κέντρο) και ένα τρισδιάστατα εκτυπωμένο κύπελλο (βλ. Σχήματα 1 και 2), το οποίο προσαρτήθηκε με χρήση κόλλας σε μια επίπεδη γεωμετρία πλάκας για εύκολη τοποθέτηση. Το τρισδιάστατα εκτυπωμένο κύπελλο επιτρέπει στις επιφάνειες επαφής να βρίσκονται υπό πλήρη εμβάπτιση, γεγονός που έχει τα πλεονεκτήματα α) της απομάκρυνσης πιθανών τεχνουργημάτων για ανεπαρκώς καλυμμένες επιφάνειες και β) της καλύτερης αναπαράστασης πραγματικών περιβαλλόντων, όπως το στόμα (π.χ. για τρόφιμα και οδοντόκρεμα), όπου η τριβολογία είναι σημαντική. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία εργαστηρίου (20°C).

Η γεωμετρία του πυθμένα έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να επιτρέπει την εύκολη εναλλαγή των επιφανειών του πυθμένα. Το υλικό της επιφάνειας του πυθμένα ήταν ένα ελαστομερές σιλικόνης (Silicone Elastomer type: vmq, SAMCO), το οποίο διατρήθηκε από υλικό φύλλου και καθαρίστηκε με ισοπροπανόλη πριν από τη χρήση. Για κάθε μέτρηση χρησιμοποιήθηκε νέα επιφάνεια. Το υλικό προσφέρεται για την παραγωγή επαναλαμβανόμενων δειγμάτων και επιλέχθηκε καθώς έχει χρησιμοποιηθεί ως ανάλογο της στοματικής επιφάνειας σε προηγούμενες έρευνες.

Το προσάρτημα τριών σφαιρών έχει το πλεονέκτημα ότι παρέχει κυκλική επαφή με την επιφάνεια κατά τη διάρκεια της μέτρησης σταθερής κατάστασης. Αυτό επιτρέπει την πιο "ρεαλιστική" προσομοίωση των σεναρίων που συμβαίνουν στην προσωπική φροντίδα, όπως το τρίψιμο μιας δερματολογικής κρέμας στο δέρμα, όπου το υλικό μεταφέρεται και συμπιέζεται άνισα μεταξύ των επαφών. Αν και αυτό μπορεί να οδηγήσει σε κακή αναπαραγωγιμότητα των μετρήσεων, εάν τα υλικά είναι δύσκολο να απλωθούν σταθερά, όπως εκείνα με τάση διαρροής, κατά τη διάρκεια αρχικών μετρήσεων χαμηλής ταχύτητας ολίσθησης.

1) Εικόνες τυπικής διαμόρφωσης γεωμετρίας τριβολογίας και υποστρώματος από ελαστομερές σιλικόνης
2) Σχηματική απεικόνιση της γεωμετρικής διάταξης τριβολογίας

κύτταρο τριβολογίας 1-Ball έναντι 3-Ball

Η τριβολογική κυψέλη μιας σφαίρας είναι μια καλή επιλογή για την προσομοίωση ορισμένων εφαρμογών προσωπικής φροντίδας, αλλά λόγω της φύσης αυτού του σχεδιασμού, απαγορεύει την ακτινική και εφαπτομενική κίνηση του υλικού, προκαλώντας μόνο εφαπτομενική κατανομή, η οποία είναι οριακά λιγότερο ρεαλιστική. Η τριβολογική κυψέλη μίας σφαίρας θα ήταν κατάλληλη για πολύ πρότυπες διατάξεις, όπου προτιμάται η ελαχιστοποίηση των τεχνουργημάτων μέτρησης έναντι της προσομοίωσης εφαρμογών.

Συνθήκες μέτρησης

Οι δοκιμές διεξήχθησαν με περίπου 3/4 της στάθμης πλήρωσης (~25 g) στη γεωμετρία των 3 σφαιρών, ώστε να είναι δυνατή η συνεχής αντικατάσταση του λιπαντικού υλικού και να μειωθεί η πιθανότητα απομάκρυνσης ενός λεπτού στρώματος λιπαντικού από την επιφάνεια σε υψηλή ταχύτητα, λόγω της φυγόκεντρης δύναμης.

Αποτελέσματα και συζήτηση

Οι ακόλουθοι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν για να διευκρινιστεί ο συντελεστής τριβής (CoF) και η (γραμμική) ταχύτητα ολίσθησης, U, σε mm/s.

όπου Γ είναι η ροπή, R είναι η ακτίνα μέχρι το μέσο της σφαίρας (11,25 mm) και FN είναι η κανονική δύναμη.

U= ωR

όπου ω είναι η γωνιακή ταχύτητα σε rad/s.

Τα περισσότερα δεδομένα που παρουσιάζονται έχουν καλή συμφωνία με την παραδοσιακή συμπεριφορά της λίπανσης (βλ. Σχήματα 3 και 4). Σε χαμηλές ταχύτητες ολίσθησης, υπάρχει ανεξαρτησία της ταχύτητας ολίσθησης, γεγονός που υποδηλώνει καθεστώς ολικής επιφανειακής επαφής. Σε αυξανόμενες ταχύτητες ολίσθησης, η CoF μειώνεται, γεγονός που είναι ενδεικτικό μικτού καθεστώτος όπου υπάρχει μερική επαφή και λίπανση των επιφανειών. Τέλος, παρατηρείται αύξηση του CoF, ενδεικτικό του καθεστώτος υδροδυναμικής λίπανσης, όπου επιτυγχάνεται πλήρης επιφανειακός διαχωρισμός και οι τριβολογικές ιδιότητες καθορίζονται από τη ρεολογία όγκου του λιπαντικού, κυρίως από το ιξώδες. Οι τιμές του CoF βρίσκονται εντός λογικών ορίων, τιμές άνω του 1 είναι δυνατές ακόμη και σε συστήματα καλής λίπανσης με λιπαντικά υψηλού ιξώδους.

3) Μεταβολή του συντελεστή τριβής με την ταχύτητα ολίσθησης για διαφορετικά διαλύματα νερού-γλυκερόλης.
4) Μεταβολή του συντελεστή τριβής με την ταχύτητα ολίσθησης διορθωμένη ως προς το ιξώδες.

Με την αύξηση της συγκέντρωσης γλυκερόλης, παρατηρείται αύξηση της CoF σε χαμηλές ταχύτητες ολίσθησης, η οποία αντιστρέφεται αμέσως όταν η περιεκτικότητα σε γλυκερόλη είναι 100 w/w%. Επιπλέον, με την αύξηση της συγκέντρωσης γλυκερόλης η έναρξη του υδροδυναμικού καθεστώτος μετατοπίζεται σε χαμηλότερες ταχύτητες ολίσθησης και επομένως είναι καλύτερα λιπαντικά. Οι τιμές CoF για όλα τα διαλύματα, εκτός από το 100 w/w% γλυκερίνης, είναι παρόμοιες σε υψηλές ταχύτητες ολίσθησης.

Για να διαχωριστούν οι επιδράσεις του ιξώδους και της αλληλεπίδρασης επιφάνειας-επιφάνειας, τα δεδομένα μπορούν να απεικονιστούν ως γινόμενο ταχύτητας ολίσθησης διορθωμένο ως προς το ιξώδες, ηU.

Πίνακας 1: Σταθερό φαινόμενο ιξώδες διαφόρων διαλυμάτων νερού-γλυκερόλης

ΑναλογίαH2O: ΓλυκερόληΜέσο ιξώδες (Pa.s)±σ
1:00.00130.0004
0.75:0.250.00210.0009
0.5:0.50.00640.0012
0.25:0.750.02300.0028
0.10.82590.0392

large Τα διάφορα διαλύματα καταρρέουν εν μέρει σε μια κύρια καμπύλη με εμφανή απόκλιση που εμφανίζεται σε υψηλές ταχύτητες ολίσθησης- αυτό θα μπορούσε να υποδηλώνει ότι ένα μέρος των διαφορών μεταξύ των δειγμάτων μπορεί να αποδοθεί στο ιξώδες του διαλύματος. Τα πιο ιξώδη διαλύματα μπορούν να υποστηρίξουν υψηλότερα κανονικά φορτία, τα διαλύματα χαμηλού ιξώδους μπορούν εύκολα να απορριφθούν μεταξύ των επιφανειών, οδηγώντας σε επαφή με την επιφάνεια και σε υψηλότερο CoF.

Η διακύμανση στις υψηλές ταχύτητες ολίσθησης που παρουσιάζεται στα διαγράμματα διορθωμένα με ιξώδες μπορεί κάλλιστα να οφείλεται στις διαφορές στο ιξώδες του όγκου που οδηγούν σε πιο σημαντικές αλλαγές στις μετρήσεις ροπής.

Συμπεράσματα

Η γεωμετρία της τριβολογίας με 3 σφαίρες μπορεί να διακρίνει μεταξύ διαφορετικών νευτώνιων λύσεων με ικανοποιητικό βαθμό ακρίβειας. Η υψηλότερη περιεκτικότητα σε γλυκερόλη φαίνεται να παρέχει καλύτερη λιπαντικότητα σε χαμηλότερες ταχύτητες ολίσθησης για μια επαφή ανοξείδωτου χάλυβα με ελαστομερές σιλικόνης.

Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν τη σημασία της διατύπωσης στη βιομηχανία τροφίμων και προσωπικής φροντίδας, όπου παράγοντες όπως η αίσθηση του στόματος ή η αντίληψη του προϊόντος στο δέρμα έχουν σημασία. Ως εκ τούτου, οι τριβολογικές ιδιότητες είναι σημαντικό να κατανοηθούν για προϊόντα όπως λοσιόν (γαλακτώματα), αλοιφές, κρέμες, οδοντόκρεμες και ακόμη και τρόφιμα.

Literature

  1. [1]
    Meng Y, Xu J, Jin Z, Prakash B, Hu Y. Ανασκόπηση των πρόσφατων εξελίξεων στην τριβολογία. Τόμος 8, Τριβή. 2020. 221-300 p.
  2. [2]
    Lee J, Lu J, Potanin A, Boyke C. Prediction of Tactile Sensory Attributes of Facial Moisturizers by Rheology and Tribology. Biotribology. 2021;28 (Σεπτέμβριος).