A testápolási összetevők kenési tulajdonságai tribológiai vizsgálatokkal

Bevezetés

A tribológia (konkrétan a biotribológia) területe az utóbbi években egyre nagyobb figyelmet kap a gyorsan mozgó fogyasztási cikkek ágazatában, mivel számos potenciális ismeretet nyújthat [1]. A közelmúltban végzett munkák rámutattak a tribológiai mérések fontosságára és jelentőségére a testápolási termékek fogyasztói megítélése szempontjából [2], és kritikus fontosságú, hogy a tribológusok olyan eszközökkel rendelkezzenek, amelyekkel a kenési rendszerek széles skáláját jó pontossággal és érzékenységgel mérhetik.

Ez az Application Note összefoglalja a személyápolási termékekben gyakori összetevők, a víz-glicerin oldatok tribológiai vizsgálatának tanulmányát.

Tribológiai cella konfiguráció

A konfiguráció egy 3 golyós tribológiai felső geometriából (a golyó középponti sugara = 11,25 mm a középponttól) és egy 3D-nyomtatott csészéből állt (lásd az 1. és 2. ábrát), amelyet ragasztóval rögzítettek egy lapos lemezgeometriához a könnyű felszerelés érdekében. A 3D-nyomtatott csésze lehetővé teszi, hogy az érintkező felületek teljes merítés alatt legyenek, aminek az az előnye, hogy a) eltávolítja a rosszul fedett felületek potenciális artefaktumait, és b) jobban reprodukálja a valós környezetet, például a szájat (pl. élelmiszerek és fogkrémek esetében), ahol a tribológia fontos. A méréseket laboratóriumi hőmérsékleten (20°C) végeztük.

Az alsó geometriát úgy alakították ki, hogy az alsó felületek könnyen cserélhetők legyenek. Az alsó felület anyaga szilikon elasztomer volt (Silicone Elastomer type: vmq, SAMCO), amelyet lemezanyagból lyukasztottak ki, és használat előtt izopropanollal tisztítottak. Minden méréshez új felületet használtunk. Ez az anyag alkalmas arra, hogy megismételhető mintákat készítsünk, és azért választottuk, mert korábbi kutatások során már használták szájfelület analógként.

A három golyós rögzítés előnye, hogy a stabil állapotú mérés során ciklikus felületi érintkezést biztosít. Ez lehetővé teszi a testápolásban tapasztalt helyzetek "valósághűbb" szimulációját, mint például a bőrgyógyászati krém bőrre dörzsölése, ahol az anyag egyenlőtlenül szállítja és tömöríti az érintkezések között. Ez azonban rossz mérési reprodukálhatóságot eredményezhet, ha a kezdeti, alacsony csúszási sebességű mérések során az anyagokat nehéz egyenletesen szétteríteni, például a folyáshatárral rendelkező anyagokat.

1 golyós és 3 golyós tribológiai cella összehasonlítása

Az egygömbös tribológiai cella megfelelő választás egyes testápolási alkalmazások szimulálására, de a kialakítás jellegéből adódóan nem teszi lehetővé az anyag radiális és érintőleges mozgását, csak érintőleges eloszlást idéz elő, ami kissé kevésbé reális. Az egygömbös tribológiai cella jól alkalmazható lenne nagyon modellrendszerekhez, ahol a mérési artefaktumok minimalizálása előnyben részesül az alkalmazás szimulációjával szemben.

Mérési feltételek

A vizsgálatokat megközelítőleg 3/4-es töltöttségi szinttel (~25 g) végeztük a 3 golyós geometriában, hogy lehetővé tegyük a kenőanyag folyamatos cseréjét, és csökkentsük annak valószínűségét, hogy nagy sebességnél a centrifugális erő miatt a vékony kenőanyagréteg eltávolodik a felületről.

Eredmények és vita

A következő számításokat végeztük el a súrlódási együttható (CoF) és a (lineáris) csúszási sebesség (U) mm/s-ban történő meghatározására.

ahol Γ a nyomaték, R a golyó középpontjához mért sugár (11,25 mm) és _FN a normál erő.

U= ωR

ahol ω a szögsebesség rad/s-ban.

A legtöbb adat jó egyezést mutat a hagyományos kenési viselkedéssel (lásd a 3. és 4. ábrát). Alacsony csúszási sebességeknél a csúszási sebességtől való függetlenség jelen van, ami teljes felületi érintkezési rendszerre utal. Növekvő csúszási sebességeknél a CoF csökken, ami vegyes rendszerre utal, ahol részleges felületi érintkezés és kenés van. Végül a CoF növekedése figyelhető meg, ami a hidrodinamikus kenési rendszerre utal, ahol teljes felületi elválasztás valósul meg, és a tribológiai tulajdonságokat a kenőanyag ömlesztett reológiája, elsősorban a viszkozitás határozza meg. A CoF-értékek ésszerű tartományokban vannak, 1 feletti értékek még jól kenődő, nagy viszkozitású kenőanyagokkal rendelkező rendszerekben is lehetségesek.

A glicerinkoncentráció növelésével alacsony csúszási sebességnél a CoF növekedése tapasztalható, ami azonnal megfordul, amikor a glicerintartalom 100 w/w%. Ezenkívül a glicerinkoncentráció növelésével a hidrodinamikai rezsim kezdete alacsonyabb csúszási sebességre tolódik, és ezért jobb kenőanyagok. A 100 w/w% glicerin kivételével az összes oldat CoF-értékei hasonlóak nagy csúszási sebességeknél.

A viszkozitás és a felület-felület kölcsönhatás hatásainak szétválasztása érdekében az adatokat viszkozitással korrigált csúszási sebességtermékként, ηU-ként lehet ábrázolni.

1. táblázat: Különböző víz-glicerin oldatok állandósult látszólagos viszkozitása

A különböző oldatok részben egy mestergörbére esnek össze, nagy csúszási sebességeknél nyilvánvaló eltérés mutatkozik; ez arra utalhat, hogy a minták közötti különbségek egy része a large oldat viszkozitásának tulajdonítható. A viszkózusabb oldatok nagyobb normál terhelést képesek elviselni, az alacsony viszkozitású oldatok könnyen kilökődhetnek a felületek között, ami felületi érintkezéshez és magasabb CoF-hez vezet.

A nagy csúszási sebességeknél a viszkozitással korrigált ábrákon látható eltérés valószínűleg annak tudható be, hogy az ömlesztett viszkozitás különbségei a nyomatéki értékek jelentősebb változásait okozzák.

Következtetések

A 3 golyós tribológiai geometria megfelelő pontossággal képes különbséget tenni a különböző newtoni megoldások között. Úgy tűnik, hogy a magasabb glicerintartalom kisebb csúszási sebességnél jobb kenőképességet biztosít a rozsdamentes acél-szilikon elasztomer érintkezésnél.

Ezek az eredmények rámutatnak a formulázás fontosságára az élelmiszer- és testápolóiparban, ahol olyan tényezők, mint a szájérzet vagy a termék bőrön való érzékelése fontosak. Ezért a tribológiai tulajdonságokat fontos megérteni az olyan termékek esetében, mint a testápolók (emulziók), kenőcsök, krémek, fogkrémek és még az élelmiszerek is.