Introducción
En los últimos años, el campo de la tribología (en concreto, la biotribología) está recibiendo cada vez más atención por parte del sector de los bienes de consumo de alta rotación, debido a la amplia gama de información que puede aportar [1]. Trabajos recientes han demostrado la importancia y relevancia de las mediciones tribológicas para la percepción de los consumidores de productos de cuidado personal [2], y es fundamental que los tribólogos dispongan de herramientas para medir una serie de regímenes de lubricación con buena precisión y sensibilidad.
Esta Nota de Aplicación resume un estudio de las pruebas tribológicas de soluciones de agua-glicerol, ingredientes comunes en los productos de cuidado personal.
Configuración de la célula tribológica
La configuración consistía en una geometría superior de tribología de 3 bolas (radio del punto medio de la bola = 11,25 mm desde el centro) y una copa impresa en 3D (véanse las figuras 1 y 2), fijada mediante un adhesivo a una geometría de placa plana para facilitar el montaje. La copa impresa en 3D permite que las superficies de contacto estén totalmente sumergidas, lo que tiene las ventajas de a) eliminar los posibles artefactos de las superficies mal cubiertas, y b) reproducir mejor los entornos del mundo real, como la boca (por ejemplo, para alimentos y pasta de dientes), donde la tribología es importante. Las mediciones se realizaron a temperatura de laboratorio (20 °C).
La geometría de la parte inferior está diseñada para poder intercambiar fácilmente las superficies inferiores. El material de la superficie inferior era un elastómero de silicona (Elastómero de silicona tipo: vmq, SAMCO), troquelado a partir de una lámina de material y limpiado con isopropanol antes de su uso. Para cada medición se utilizó una superficie nueva. El material se presta a la producción de muestras repetibles y se seleccionó porque se ha utilizado como análogo de la superficie bucal en investigaciones anteriores.
El accesorio de tres bolas tiene la ventaja de proporcionar un contacto cíclico con la superficie durante la medición en estado estacionario. Esto permite una simulación más "realista" de los escenarios experimentados en el cuidado personal, como frotar una crema dermatológica sobre la piel, donde el material se transporta y comprime de forma desigual entre los contactos. No obstante, esto puede dar lugar a una reproducibilidad deficiente de las mediciones si los materiales son difíciles de extender de forma uniforme, como los que tienen un Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico, durante las mediciones iniciales a baja velocidad de deslizamiento.
celda tribológica de 1 bola frente a celda tribológica de 3 bolas
La célula tribológica de una bola es una opción razonable para simular algunas aplicaciones de cuidado personal, pero debido a la naturaleza de este diseño, prohíbe el movimiento radial y tangencial del material, induciendo únicamente la distribución tangencial, que es marginalmente menos realista. La célula tribológica de una bola sería muy adecuada para sistemas muy modélicos en los que se prefiere minimizar los artefactos de medición a la simulación de aplicaciones.
Condiciones de medición
Las pruebas se realizaron con un nivel de llenado aproximado de 3/4 (~25 g) en la geometría de 3 bolas para permitir la sustitución constante del material lubricante y reducir la probabilidad de que se desprenda una fina capa de lubricante de la superficie a alta velocidad, debido a la fuerza centrífuga.
Resultados y debate
Se realizaron los siguientes cálculos para dilucidar el coeficiente de fricción (CoF) y la velocidad de deslizamiento (lineal), U, en mm/s.
donde Γ es el Par, R es el radio al punto medio de la bola (11,25 mm) yFN es la fuerza normal.
U= ωR
donde ω es la velocidad angular en rad/s.
La mayoría de los datos mostrados concuerdan con el comportamiento lubricante tradicional (véanse las figuras 3 y 4). A velocidades de deslizamiento bajas, la velocidad de deslizamiento es independiente, lo que indica un régimen de contacto superficial total. Al aumentar la velocidad de deslizamiento, el CoF se reduce, lo que indica un régimen mixto en el que hay contacto parcial de la(s) superficie(s) asperidad(es) y lubricación. Por último, se observa un aumento del CoF, indicativo del régimen de lubricación hidrodinámica en el que se consigue una separación total de las superficies y las propiedades tribológicas vienen determinadas por la reología del lubricante, predominantemente la viscosidad. Los valores de CoF se encuentran dentro de rangos sensibles, siendo posibles valores superiores a 1 incluso en sistemas bien lubricados con lubricantes de alta viscosidad.
Al aumentar la concentración de glicerol, se produce un aumento del CoF a bajas velocidades de deslizamiento que se invierte inmediatamente cuando el contenido de glicerol es del 100 p/p%. Además, al aumentar la concentración de glicerol, el inicio del régimen hidrodinámico se desplaza a velocidades de deslizamiento más bajas, por lo que son mejores lubricantes. Los valores de CoF de todas las soluciones, salvo la de 100 p/p% de glicerol, son similares a altas velocidades de deslizamiento.
Para desentrañar los efectos de la viscosidad y de la interacción superficie-superficie, los datos pueden representarse gráficamente como producto de la velocidad de deslizamiento corregida por la viscosidad, ηU.
Tabla 1: Viscosidad aparente en estado estacionario de diferentes soluciones de agua-glicerol
| Relación H2O: Glicerol | Viscosidad media (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 |
Las distintas soluciones colapsan parcialmente en una curva maestra, con una desviación evidente que aparece a velocidades de deslizamiento elevadas; esto podría indicar que una large parte de las diferencias entre las muestras podría atribuirse a la viscosidad de la solución. Las soluciones más viscosas pueden soportar cargas normales más elevadas, las soluciones de baja viscosidad pueden ser rechazadas fácilmente entre las superficies, lo que conduce a un contacto superficial y a un CoF más elevado.
La variación a altas velocidades de deslizamiento mostrada en los gráficos de viscosidad corregida bien puede deberse a que las diferencias en la viscosidad aparente provocan cambios más significativos en las lecturas de par.
Conclusiones
La geometría de tribología de 3 bolas puede distinguir entre diferentes soluciones newtonianas con un grado razonable de precisión. Un mayor contenido de glicerol parece proporcionar una mejor lubricidad a menores velocidades de deslizamiento para un contacto acero inoxidable-elastómero de silicona.
Estos resultados muestran la importancia de la formulación en la industria alimentaria y de cuidado personal, donde factores como la sensación en la boca o la percepción del producto en la piel son relevantes. Por tanto, es importante comprender las propiedades tribológicas en productos como lociones (emulsiones), pomadas, cremas, dentífricos e incluso alimentos.