Introduzione
Negli ultimi anni, il campo della tribologia (in particolare, della biotribologia) sta ottenendo una maggiore attenzione da parte del settore dei beni di consumo in rapida evoluzione, grazie all'ampia gamma di informazioni potenziali che può fornire [1]. Lavori recenti hanno dimostrato l'importanza e la rilevanza delle misure tribologiche per la percezione dei prodotti per la cura della persona da parte dei consumatori [2], ed è fondamentale che i tribologi dispongano di strumenti per misurare una gamma di regimi di lubrificazione con buona precisione e sensibilità.
Questa nota applicativa riassume uno studio sui test tribologici di soluzioni di acqua e glicerolo, ingredienti comuni nei prodotti per la cura della persona.
Configurazione della cella tribologica
La configurazione consisteva in una geometria superiore per tribologia a 3 sfere (raggio del punto centrale della sfera = 11,25 mm dal centro) e in una coppa stampata in 3D (vedere le figure 1 e 2), fissata con un adesivo a una geometria a piastra piatta per facilitarne il montaggio. La coppa stampata in 3D consente alle superfici di contatto di essere completamente immerse, con il vantaggio di a) eliminare potenziali artefatti per le superfici poco coperte e b) replicare meglio gli ambienti reali come la bocca (ad esempio, per il cibo e il dentifricio) in cui la tribologia è importante. Le misure sono state condotte a temperatura di laboratorio (20°C).
La geometria del fondo è stata progettata per consentire una facile sostituzione delle superfici inferiori. Il materiale della superficie del fondo era un elastomero siliconico (tipo di elastomero siliconico: vmq, SAMCO), ricavato da un foglio di materiale e pulito con isopropanolo prima dell'uso. Per ogni misurazione è stata utilizzata una superficie nuova. Il materiale si presta a produrre campioni ripetibili ed è stato scelto perché è stato utilizzato come analogo della superficie della bocca in ricerche precedenti.
L'attacco a tre sfere ha il vantaggio di fornire un contatto ciclico con la superficie durante la misurazione in stato stazionario. Ciò consente una simulazione più "realistica" degli scenari che si verificano nella cura della persona, come lo sfregamento di una crema dermatologica sulla pelle, dove il materiale viene trasportato e compresso in modo diseguale tra i contatti. Tuttavia, ciò può comportare una scarsa riproducibilità delle misure se i materiali sono difficili da spalmare in modo coerente, come quelli con una Sforzo di snervamentoLa tensione di snervamento è definita come la tensione al di sotto della quale non si verifica alcun flusso; letteralmente si comporta come un solido debole a riposo e come un liquido quando viene ceduto.tensione di snervamento, durante le misure iniziali a bassa velocità di scorrimento.


cella tribologica a 1 sfera contro 3 sfere
La cella tribologica a una sfera è una scelta ragionevole per la simulazione di alcune applicazioni per la cura della persona, ma a causa della natura di questo design, vieta il movimento radiale e tangenziale del materiale, inducendo solo la distribuzione tangenziale, che è marginalmente meno realistica. La cella tribologica a una sfera sarebbe adatta a sistemi molto modulari in cui la minimizzazione degli artefatti di misura è preferita alla simulazione dell'applicazione.
Condizioni di misurazione
I test sono stati condotti con un livello di riempimento di circa 3/4 (~25 g) nella geometria a 3 sfere per consentire un ricambio costante del materiale lubrificante e per ridurre la probabilità che un sottile strato di lubrificante venga rimosso dalla superficie ad alta velocità, a causa della forza centrifuga.
Risultati e discussione
Sono stati eseguiti i seguenti calcoli per individuare il coefficiente di attrito (CoF) e la velocità di scorrimento (lineare) U, in mm/s.

dove Γ è la coppia, R è il raggio rispetto al punto medio della sfera (11,25 mm) e FN è la forza normale.
U= ωR
dove ω è la velocità angolare in rad/s.
La maggior parte dei dati mostrati concorda con il comportamento lubrificante tradizionale (vedere le figure 3 e 4). A basse velocità di scorrimento è presente l'indipendenza dalla velocità di scorrimento, che indica un regime di contatto totale della superficie. All'aumentare della velocità di scorrimento, il CoF si riduce, il che è indicativo di un regime misto in cui vi è un contatto parziale delle asperità superficiali e una lubrificazione. Infine, si osserva un aumento del CoF, indicativo del regime di lubrificazione idrodinamica in cui si ottiene una separazione totale della superficie e le proprietà tribologiche sono determinate dalla reologia del lubrificante, in particolare dalla viscosità. I valori di CoF rientrano in intervalli ragionevoli; valori superiori a 1 sono possibili anche in sistemi ben lubrificati con lubrificanti ad alta viscosità.


Con l'aumento della concentrazione di glicerolo, si verifica un aumento del CoF a basse velocità di scorrimento che viene immediatamente invertito quando il contenuto di glicerolo è pari a 100 w/w%. Inoltre, con l'aumento della concentrazione di glicerolo, l'inizio del regime idrodinamico si sposta verso velocità di scorrimento più basse e sono quindi migliori lubrificanti. I valori di CoF per tutte le soluzioni, diverse da quella con 100 p/p di glicerolo, sono simili alle alte velocità di scorrimento.
Per distinguere gli effetti della viscosità e dell'interazione superficie-superficie, i dati possono essere rappresentati come prodotto della velocità di scorrimento corretto per la viscosità, ηU.
Tabella 1: Viscosità apparente allo stato stazionario di diverse soluzioni di acqua e glicerolo
RapportoH2O: glicerolo | Viscosità 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 |
Le diverse soluzioni collassano parzialmente su una curva master, con una deviazione evidente che appare ad alte velocità di scorrimento; ciò potrebbe indicare che una large parte delle differenze tra i campioni potrebbe essere attribuita alla viscosità della soluzione. Le soluzioni più viscose possono sopportare carichi normali più elevati, mentre quelle a bassa viscosità possono essere facilmente respinte tra le superfici, con conseguente contatto superficiale e un CoF più elevato.
La variazione ad alte velocità di scorrimento mostrata nei grafici corretti per la viscosità potrebbe essere dovuta alle differenze di viscosità di massa che determinano variazioni più significative nelle letture di coppia.
Conclusioni
La geometria tribologica a 3 sfere può distinguere tra diverse soluzioni newtoniane con un ragionevole grado di precisione. Un contenuto più elevato di glicerolo sembra fornire una migliore lubrificazione a velocità di scorrimento inferiori per un contatto tra acciaio inossidabile ed elastomero di silicone.
Questi risultati dimostrano l'importanza della formulazione nell'industria alimentare e della cura della persona, dove fattori come la sensazione in bocca o la percezione del prodotto sulla pelle sono rilevanti. Pertanto, le proprietà tribologiche sono importanti da comprendere per prodotti come lozioni (emulsioni), unguenti, creme, dentifrici e persino alimenti.