Johdanto
Tribologian (erityisesti biotribologian) ala on viime vuosina saanut yhä enemmän huomiota nopeasti liikkuvien kulutustavaroiden alalla, koska sen avulla voidaan saada monenlaisia mahdollisia tietoja [1]. Viimeaikaiset työt ovat osoittaneet tribologisten mittausten tärkeyden ja merkityksellisyyden kuluttajan käsitykselle henkilökohtaisen hygienian tuotteista [2], ja on ratkaisevan tärkeää, että tribologeilla on käytettävissään välineitä, joilla he voivat mitata erilaisia voitelujärjestelmiä hyvällä tarkkuudella ja herkkyydellä.
Tässä sovellusmuistiossa esitetään yhteenveto tutkimuksesta, jossa tutkittiin vesi-glyseroli-liuosten tribologisia testejä, jotka ovat yleisiä ainesosia henkilökohtaisen hygienian tuotteissa.
Tribologian solun konfiguraatio
Konfiguraatio koostui 3-pallo-tribologian ylemmästä geometriasta (pallon keskipisteen säde = 11,25 mm keskipisteestä) ja 3D-tulostetusta kupista (ks. kuvat 1 ja 2), joka kiinnitettiin liimalla litteään levygeometriaan helppoa asennusta varten. 3D-tulostetun kupin ansiosta kosketuspinnat ovat täydessä upotuksessa, minkä etuna on, että a) huonosti päällystettyjen pintojen mahdolliset artefaktit poistuvat ja b) ne jäljittelevät paremmin todellisia ympäristöjä, kuten suuta (esim. ruokaa ja hammastahnaa), jossa tribologia on tärkeää. Mittaukset suoritettiin laboratoriolämpötilassa (20 °C).
Pohjan geometria on suunniteltu siten, että pohjapinnat voidaan vaihtaa helposti. Pohjapinnan materiaali oli silikonielastomeeri (Silicone Elastomer type: vmq, SAMCO), joka oli stanssattu levymateriaalista ja puhdistettu isopropanolilla ennen käyttöä. Jokaiseen mittaukseen käytettiin uutta pintaa. Materiaali soveltuu hyvin toistettavien näytteiden tuottamiseen, ja se valittiin, koska sitä on käytetty suun pinnan analogiana aiemmissa tutkimuksissa.
Kolmen pallon kiinnityksen etuna on, että se tarjoaa syklisen pintakosketuksen tasaisen mittauksen aikana. Näin voidaan simuloida realistisemmin henkilökohtaisessa hygieniassa esiintyviä tilanteita, kuten ihovoiteen hieromista iholle, jossa materiaali kulkeutuu ja puristuu epätasaisesti kosketusten välillä. Tämä voi tosin johtaa huonoon mittausten toistettavuuteen, jos materiaaleja on vaikea levittää tasaisesti, kuten materiaaleja, joilla on myötöraja, ensimmäisten, alhaisen liukunopeuden mittausten aikana.
1-pallo vs. 3-pallo Tribologinen solu
Yhden pallon tribologiakenno on sopiva valinta joidenkin henkilökohtaisen hygienian sovellusten simulointiin, mutta tämän rakenteen luonteen vuoksi se estää materiaalin säteittäisen ja tangentiaalisen liikkeen ja saa aikaan vain tangentiaalisen jakautumisen, mikä on hieman vähemmän realistista. Yhden pallon tribologiakenno soveltuisi hyvin hyvin mallinnettuihin järjestelmiin, joissa mittausartefaktien minimointi on sovellussimuloinnin sijaan etusijalla.
Mittausolosuhteet
Testit suoritettiin noin 3/4 täyttötasolla (~25 g) 3-pallogeometriassa, jotta voiteluaine voitiin vaihtaa jatkuvasti ja jotta voiteluaineen ohuen voitelukerroksen poistuminen pinnalta suurella nopeudella keskipakovoiman vaikutuksesta olisi epätodennäköisempää.
Tulokset ja keskustelu
Seuraavat laskelmat suoritettiin kitkakertoimen (CoF) ja (lineaarisen) liukunopeuden U (mm/s) selvittämiseksi.
jossa Γ on vääntömomentti, R on säde pallon keskipisteeseen (11,25 mm) ja FN on normaalivoima.
U= ωR
jossa ω on kulmanopeus rad/s.
Useimmat esitetyt tiedot vastaavat hyvin perinteistä voitelukäyttäytymistä (ks. kuvat 3 ja 4). Alhaisilla liukunopeuksilla liukunopeus on riippumaton, mikä viittaa täydelliseen pintakosketusjärjestelmään. Kun liukunopeudet kasvavat, CoF pienenee, mikä viittaa sekajärjestelmään, jossa on osittainen pinnan (pintojen) asperiteettikosketus ja voitelu. Lopuksi CoF:n havaitaan kasvavan, mikä viittaa hydrodynaamiseen voitelujärjestelmään, jossa saavutetaan täydellinen pintojen erottuminen ja tribologiset ominaisuudet määräytyvät voiteluaineen irtoreologian, pääasiassa viskositeetin, mukaan. CoF-arvot ovat järkevällä alueella, yli 1:n arvot ovat mahdollisia jopa hyvin voitelevissa järjestelmissä, joissa on korkeaviskositeettisia voiteluaineita.
Glyserolipitoisuuden kasvaessa CoF kasvaa alhaisilla liukunopeuksilla, mikä kääntyy välittömästi päinvastaiseksi, kun glyserolipitoisuus on 100 w/w%. Lisäksi glyserolipitoisuuden kasvaessa hydrodynaamisen järjestelmän alkaminen siirtyy alhaisemmille liukunopeuksille, joten ne ovat parempia voiteluaineita. Kaikkien muiden liuosten kuin 100 w/w-prosenttisen glyserolin CoF-arvot ovat samankaltaisia suurilla liukunopeuksilla.
Viskositeetin ja pinnan ja pinnan vuorovaikutuksen vaikutusten erottamiseksi toisistaan tiedot voidaan piirtää viskositeetilla korjatun liukunopeuden tulona ηU.
Taulukko 1: Eri vesi-glyseroli-liuosten näennäinen viskositeetti tasaisessa tilassa
| H2O:glyseroli-suhde | Keskimääräinen viskositeetti (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 |
Eri liuokset loksahtavat osittain yhteen pääkäyrän kanssa, ja suurilla liukunopeuksilla esiintyy selviä poikkeamia; tämä voisi viitata siihen, että large osa näytteiden välisistä eroista voisi johtua liuoksen viskositeetista. Viskoottisemmat liuokset kestävät suurempia normaalikuormituksia, matalaviskoottiset liuokset voidaan helposti hylätä pintojen välistä, mikä johtaa pintakontaktiin ja korkeampaan CoF:ään.
Viskositeettikorjattujen kuvaajien osoittama vaihtelu suurilla liukunopeuksilla voi hyvinkin johtua siitä, että erot irtoviskositeetissa aiheuttavat merkittävämpiä muutoksia vääntömomenttilukemissa.
Päätelmät
Kolmen pallon tribologisella geometrialla voidaan erottaa eri newtonilaiset ratkaisut toisistaan kohtuullisella tarkkuudella. Suurempi glyserolipitoisuus näyttää tarjoavan paremman voitelukyvyn pienemmillä liukunopeuksilla ruostumattoman teräksen ja silikonielastomeerin välisessä kontaktissa.
Nämä tulokset osoittavat formuloinnin merkityksen elintarvike- ja henkilökohtaisen hygienian teollisuudessa, jossa sellaiset tekijät kuin suun tuntuma tai tuotteen havaitseminen iholla ovat merkityksellisiä. Siksi tribologiset ominaisuudet on tärkeää ymmärtää tuotteissa, kuten voiteissa (emulsioissa), voiteissa, voiteissa, hammastahnoissa ja jopa elintarvikkeissa.