Introduction
Ces dernières années, le secteur des biens de consommation à rotation rapide s'intéresse de plus en plus à la tribologie (et plus particulièrement à la bio-tribologie) en raison du large éventail d'informations potentielles qu'elle peut fournir [1]. Des travaux récents ont montré l'importance et la pertinence des mesures tribologiques pour la perception qu'ont les consommateurs des produits de soins personnels [2], et il est essentiel que les tribologues disposent d'outils pour mesurer une gamme de régimes de lubrification avec une bonne précision et une bonne sensibilité.
Cette note d'application résume une étude sur les essais tribologiques de solutions eau-glycérol, ingrédients courants dans les produits de soins personnels.
Configuration de la cellule de tribologie
La configuration se compose d'une géométrie supérieure de tribologie à 3 billes (rayon du point central de la bille = 11,25 mm du centre) et d'une coupelle imprimée en 3D (voir les figures 1 et 2), fixée à l'aide d'un adhésif à une géométrie de plaque plate pour faciliter le montage. La coupelle imprimée en 3D permet aux surfaces de contact d'être en immersion totale, ce qui présente l'avantage a) d'éliminer les artefacts potentiels pour les surfaces mal couvertes, et b) de mieux reproduire les environnements du monde réel comme la bouche (par exemple, pour la nourriture et le dentifrice) où la tribologie est importante. Les mesures ont été effectuées à la température du laboratoire (20°C).
La géométrie du fond est conçue pour permettre de remplacer facilement les surfaces du fond. Le matériau de la surface inférieure était un élastomère de silicone (type d'élastomère de silicone : vmq, SAMCO), découpé dans une feuille et nettoyé avec de l'isopropanol avant utilisation. Une nouvelle surface a été utilisée pour chaque mesure. Ce matériau se prête à la production d'échantillons reproductibles et a été choisi parce qu'il a été utilisé comme analogue de la surface buccale dans des recherches antérieures.
L'attachement à trois boules présente l'avantage d'assurer un contact cyclique avec la surface pendant la mesure en régime permanent. Cela permet une simulation plus "réaliste" des scénarios rencontrés dans les soins personnels, tels que le frottement d'une crème dermatologique sur la peau, où le matériau est transporté et comprimé de manière inégale entre les contacts. Toutefois, cela peut entraîner une mauvaise reproductibilité des mesures si les matériaux sont difficiles à étaler de manière cohérente, comme ceux qui ont une limite d'élasticité, lors des mesures initiales à faible vitesse de glissement.
cellule de tribologie à 1 bille ou à 3 billes
La cellule tribologique à une bille est un choix raisonnable pour simuler certaines applications de soins personnels, mais en raison de la nature de cette conception, elle interdit le mouvement radial et tangentiel du matériau, n'induisant qu'une distribution tangentielle, ce qui est marginalement moins réaliste. La cellule tribologique à une bille conviendrait bien aux systèmes très modélisés pour lesquels la minimisation des artefacts de mesure est préférable à la simulation de l'application.
Conditions de mesure
Les essais ont été réalisés avec un niveau de remplissage d'environ 3/4 (~25 g) dans la géométrie à 3 billes afin de permettre un remplacement constant du matériau lubrifiant et de réduire la probabilité qu'une fine couche de lubrifiant soit enlevée de la surface à grande vitesse, sous l'effet de la force centrifuge.
Résultats et discussion
Les calculs suivants ont été effectués pour déterminer le coefficient de frottement (CoF) et la vitesse de glissement (linéaire), U, en mm/s.
où Γ est le couple, R le rayon au point médian de la bille (11,25 mm) etFN la force normale.
U= ωR
où ω est la vitesse angulaire en rad/s.
La plupart des données présentées sont en accord avec le comportement lubrifiant traditionnel (voir figures 3 et 4). À faible vitesse de glissement, l'indépendance de la vitesse de glissement est présente, ce qui indique un régime de contact de surface total. Lorsque les vitesses de glissement augmentent, le CoF diminue, ce qui indique un régime mixte dans lequel il y a un contact partiel entre les aspérités de la surface et une lubrification. Enfin, une augmentation du CoF est observée, ce qui indique un régime de lubrification hydrodynamique où une séparation totale des surfaces est obtenue et où les propriétés tribologiques sont déterminées par la rhéologie du lubrifiant, principalement la viscosité. Les valeurs de CoF se situent dans des fourchettes raisonnables, des valeurs supérieures à 1 étant possibles même dans des systèmes bien lubrifiés avec des lubrifiants à haute viscosité.
Avec l'augmentation de la concentration en glycérol, on observe une augmentation du CoF à des vitesses de glissement faibles qui est immédiatement inversée lorsque la teneur en glycérol est de 100 w/w%. En outre, avec l'augmentation de la concentration en glycérol, le début du régime hydrodynamique se déplace vers des vitesses de glissement plus faibles, ce qui en fait de meilleurs lubrifiants. Les valeurs de CoF pour toutes les solutions, autres que celle à 100 % de glycérol, sont similaires à des vitesses de glissement élevées.
Pour démêler les effets de la viscosité et de l'interaction surface-surface, les données peuvent être représentées sous forme de produit de vitesse de glissement corrigé de la viscosité, ηU.
Tableau 1 : Viscosité apparente à l'état d'équilibre de différentes solutions eau-glycérol
| RapportH2O: glycérol | Viscosité moyenne (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 |
Les différentes solutions se fondent partiellement dans une courbe maîtresse avec une déviation évidente apparaissant à des vitesses de glissement élevées ; cela pourrait indiquer qu'une partie large des différences entre les échantillons pourrait être attribuée à la viscosité de la solution. Les solutions plus visqueuses peuvent supporter des charges normales plus élevées, les solutions à faible viscosité peuvent être facilement rejetées entre les surfaces, ce qui conduit à un contact de surface et à un CoF plus élevé.
La variation à des vitesses de glissement élevées montrée dans les tracés corrigés de la viscosité pourrait bien être due aux différences de viscosité en vrac qui entraînent des changements plus significatifs dans les relevés de couple.
Conclusions
La géométrie tribologique à trois billes permet de distinguer différentes solutions newtoniennes avec un degré de précision raisonnable. Une teneur plus élevée en glycérol semble offrir un meilleur pouvoir lubrifiant à des vitesses de glissement plus faibles pour un contact acier inoxydable-élastomère de silicone.
Ces résultats montrent l'importance de la formulation dans l'industrie alimentaire et des soins personnels, où des facteurs tels que la sensation en bouche ou la perception du produit sur la peau sont importants. Il est donc important de comprendre les propriétés tribologiques de produits tels que les lotions (émulsions), les pommades, les crèmes, les dentifrices et même les aliments.