Pendahuluan
Bidang tribologi (khususnya, bio-tribologi) mendapatkan lebih banyak perhatian dari sektor Fast Moving Consumer Goods dalam beberapa tahun terakhir karena berbagai wawasan potensial yang dapat diberikannya [1]. Penelitian terbaru telah menunjukkan pentingnya dan relevansi pengukuran tribologi terhadap persepsi konsumen tentang produk perawatan pribadi [2], dan sangat penting bagi para ahli tribologi untuk memiliki alat untuk mengukur berbagai rezim pelumasan dengan akurasi dan sensitivitas yang baik.
Catatan Aplikasi ini merangkum studi tentang pengujian tribologi larutan air-gliserol, bahan yang umum digunakan dalam produk perawatan pribadi.
Konfigurasi Sel Tribologi
Konfigurasi ini terdiri dari Geometri Atas Tribologi 3-Bola (radius titik tengah bola = 11,25 mm dari pusat) dan cangkir cetak 3D (lihat Gambar 1 dan 2), yang dipasang menggunakan perekat pada geometri pelat datar untuk memudahkan pemasangan. Cangkir cetak 3D memungkinkan permukaan kontak berada di bawah perendaman penuh yang memiliki manfaat a) menghilangkan artefak potensial untuk permukaan yang tidak tertutup dengan baik, dan b) mereplikasi lingkungan dunia nyata dengan lebih baik seperti mulut (misalnya, untuk makanan dan pasta gigi) di mana tribologi penting. Pengukuran dilakukan pada suhu laboratorium (20°C).
Geometri bagian bawah dirancang untuk memungkinkan permukaan bagian bawah ditukar dengan mudah. Bahan permukaan bawah adalah elastomer silikon (tipe Silicone Elastomer: vmq, SAMCO), dilubangi dari bahan lembaran dan dibersihkan dengan isopropanol sebelum digunakan. Permukaan yang baru digunakan untuk setiap pengukuran. Bahan ini cocok untuk menghasilkan sampel yang dapat diulang dan dipilih karena telah digunakan sebagai analog permukaan mulut dalam penelitian sebelumnya.
Alat tambahan tiga bola memiliki manfaat untuk memberikan kontak permukaan secara siklis selama pengukuran kondisi tunak. Hal ini memungkinkan simulasi yang lebih 'realistis' dari skenario yang dialami dalam perawatan pribadi, seperti mengoleskan krim dermatologis pada kulit, di mana bahan diangkut dan dikompresi secara tidak merata di antara kontak. Meskipun demikian, hal ini dapat mengakibatkan reprodusibilitas pengukuran yang buruk jika bahan sulit menyebar secara konsisten, seperti bahan dengan tegangan luluh, selama pengukuran kecepatan geser awal yang rendah.
sel Tribologi 1-Bola Versus 3-Bola
Sel tribologi satu bola adalah pilihan yang dapat beresonansi untuk mensimulasikan beberapa aplikasi perawatan pribadi, tetapi karena sifat desain ini, sel ini melarang pergerakan material secara radial dan tangensial, hanya menginduksi distribusi tangensial, yang secara marginal kurang realistis. Sel tribologi satu bola akan sangat cocok untuk sistem model di mana minimalisasi artefak pengukuran lebih disukai daripada simulasi aplikasi.
Kondisi Pengukuran
Pengujian dilakukan dengan perkiraan tingkat pengisian 3/4 (~25 g) pada geometri 3-bola untuk memungkinkan penggantian bahan pelumas secara konstan, dan untuk mengurangi kemungkinan lapisan pelumas tipis terlepas dari permukaan pada kecepatan tinggi, karena gaya sentrifugal.
Hasil dan Pembahasan
Perhitungan berikut ini dilakukan untuk menjelaskan Koefisien Gesekan (CoF) dan kecepatan geser (linier), U, dalam mm/s.
di mana Γ adalah Torsi, R adalah jari-jari ke titik tengah bola (11,25 mm) dan FN adalah gaya normal.
U = ωR
di mana ω adalah kecepatan sudut dalam rad/s.
Sebagian besar data yang ditampilkan memiliki kesesuaian yang baik dengan perilaku pelumasan tradisional (lihat Gambar 3 dan 4). Pada kecepatan geser rendah, terdapat independensi kecepatan geser yang mengindikasikan rezim kontak permukaan total. Pada kecepatan geser yang meningkat, CoF berkurang, yang mengindikasikan rezim campuran di mana terdapat kontak asperitas dan pelumasan sebagian permukaan. Akhirnya, peningkatan CoF diamati, yang menunjukkan rezim pelumasan hidrodinamis di mana pemisahan permukaan penuh tercapai dan sifat tribologi ditentukan oleh reologi curah pelumas, terutama viskositas. Nilai CoF berada dalam rentang yang masuk akal, nilai di atas 1 dimungkinkan bahkan dalam sistem pelumasan yang baik dengan pelumas dengan viskositas tinggi.
Dengan meningkatnya konsentrasi gliserol, terjadi peningkatan CoF pada kecepatan luncur rendah yang segera berbalik ketika kandungan gliserol mencapai 100 w/w%. Selain itu, dengan meningkatnya konsentrasi gliserol, permulaan rezim hidrodinamika bergeser ke kecepatan geser yang lebih rendah dan oleh karena itu merupakan pelumas yang lebih baik. Nilai CoF untuk semua larutan, selain 100 w/w% gliserol, serupa pada kecepatan geser yang tinggi.
Untuk menguraikan viskositas dan efek interaksi permukaan-permukaan, data dapat diplot sebagai produk kecepatan geser yang dikoreksi viskositas, ηU.
Tabel 1: Viskositas semu kondisi tunak dari larutan air-gliserol yang berbeda
| H2O: Rasio Gliserol | Viskositas Rata-rata (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 |
Larutan yang berbeda sebagian runtuh ke kurva utama dengan deviasi yang jelas muncul pada kecepatan geser yang tinggi; hal ini dapat mengindikasikan bahwa sebagian large perbedaan antara sampel dapat dikaitkan dengan viskositas larutan. Larutan yang lebih kental dapat mendukung beban normal yang lebih tinggi, larutan dengan viskositas rendah dapat dengan mudah ditolak dari sela-sela permukaan, yang mengarah ke kontak permukaan dan CoF yang lebih tinggi.
Variasi pada kecepatan geser tinggi yang ditunjukkan pada plot yang dikoreksi viskositas mungkin disebabkan oleh perbedaan viskositas curah yang menyebabkan perubahan yang lebih signifikan dalam pembacaan torsi.
Kesimpulan
Geometri Tribologi 3-bola dapat membedakan antara solusi Newtonian yang berbeda dengan tingkat akurasi yang masuk akal. Kandungan gliserol yang lebih tinggi tampaknya memberikan pelumasan yang lebih baik pada kecepatan geser yang lebih rendah untuk kontak elastomer stainless steel-silikon.
Hasil ini menunjukkan pentingnya formulasi dalam industri makanan dan perawatan pribadi, di mana faktor-faktor seperti rasa di mulut atau persepsi produk pada kulit menjadi relevan. Oleh karena itu, sifat tribologi penting untuk dipahami untuk produk seperti lotion (emulsi), salep, krim, pasta gigi, dan bahkan makanan.