はじめに
トライボロジー（特にバイオトライボロジー）の分野は、それがもたらす幅広い潜在的な洞察力により、近年、ファスト・ムービング・コンシューマー・グッズ（FAST Moving Consumer Goods）部門からの注目が高まっている[1]。最近の研究では、パーソナルケア製品に対する消費者の認識とトライボロジー測定の重要性と関連性が示されており[2]、トライボロジストにとって、さまざまな潤滑レジームを優れた精度と感度で測定できるツールが不可欠です。
このアプリケーションノートでは、パーソナルケア製品で一般的な成分である水-グリセロール溶液のトライボロジー試験に関する研究を要約しています。
トライボロジーセルの構成
構成は、3ボールトライボロジー上部形状（ボールの中点半径＝中心から11.25mm）と3Dプリントカップ（図1および図2参照）で構成され、簡単に取り付けられるように平板形状に接着剤で取り付けられている。3Dプリントカップにより、接触面を完全な浸漬状態にすることができ、a) 表面が十分に覆われていない場合の潜在的なアーチファクトを除去できる、b) トライボロジーが重要な口腔内（食品や歯磨き粉など）のような実環境をよりよく再現できる、という利点がある。測定は実験室温度（20℃）で行った。
底面の形状は、底面を簡単に交換できるように設計されている。底面の材質はシリコーンエラストマー（シリコーンエラストマータイプ：vmq、SAMCO）で、シート材から打ち抜き、使用前にイソプロパノールで洗浄した。測定には毎回新しい表面を使用した。この素材は再現性のあるサンプルを作成するのに適しており、以前の研究で口唇表面の類似品として使用されていたことから選択された。
スリーボールアタッチメントには、定常状態での測定中に周期的な表面接触が得られるという利点がある。これにより、皮膚科用クリームを皮膚にこすりつけるようなパーソナルケアで経験するシナリオを、より「リアル」にシミュレーションすることができる。しかし、降伏応力を持つような安定した拡散が困難な材料の場合、初期の低摺動速度測定では、測定の再現性が低くなる可能性があります。
1ボール対3ボール トライボロジーセル
ワンボールトライボロジーセルは、一部のパーソナルケア用途のシミュレーションに適した選択肢ですが、この設計の性質上、材料の半径方向および接線方向の移動が禁止されており、接線方向の分布のみが誘導されるため、現実的ではありません。ワンボールトライボロジーセルは、アプリケーションのシミュレーションよりも測定アーチファクトの最小化が優先されるような、非常にモデル的なシステムに適しています。
測定条件
テストは、潤滑剤の一定した交換を可能にし、高速回転時に遠心力によって薄い潤滑剤層が表面から除去される可能性を減らすため、3ボール形状の約3/4充填レベル（～25g）で実施された。
結果と考察
摩擦係数（CoF）と（直線）すべり速度U（単位：mm/s）を明らかにするために、以下の計算を行った。
ここで、Γ はトルク、R はボールの中点までの半径（11.25mm）、FNは法線力である。
U= ωR
ここで ω は角速度（rad/s）です。
示されたほとんどのデータは、従来の潤滑挙動とよく一致している（図3および図4参照）。摺動速度が低い場合には、摺動速度に依存しないため、全面接触領域が存在することがわかる。摺動速度が速くなると、CoFは減少し、これは部分的なアスペリティ接触と潤滑が混在する領域を示している。最後に、CoFの増加が観察され、これは、完全な表面分離が達成され、トライボロジー特性が潤滑剤のバルクレオロジー（主に粘度）によって決定される流体力学的潤滑領域を示している。CoF値は実用的な範囲内であり、高粘度潤滑剤を使用した良好な潤滑システムでも1を超える値が可能である。
グリセロール濃度が高くなるにつれて、低摺動速度でのCoFの増加が見られるが、グリセロール含有量が100 w/w%になるとすぐに逆転する。さらに、グリセロール濃度が高くなるにつれて、流体力学的領域の開始が低滑走速度にシフトするため、より優れた潤滑剤となる。100w/w%のグリセロールを除くすべての溶液のCoF値は、高速摺動では同程度である。
粘性と表面-表面相互作用の効果を分離するために、データを粘性補正したすべり速度積ηUとしてプロットすることができる。
表1：異なる水-グリセロール溶液の定常見かけ粘度
| H2O：グリセロール比 | 平均粘度(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 |
異なる溶液は部分的にマスターカーブ上に収束し、高速摺動時に明らかな偏差が現れる。これは、サンプル間の違いのlarge 部分が溶液粘度に起因していることを示している可能性がある。より粘性の高い溶液はより高い法線荷重を支え、低粘性の溶液は表面間から容易に排除され、表面接触とより高いCoFをもたらす。
粘度補正プロットで示された高摺動速度でのばらつきは、バルク粘度の違いがトルク測定値をより大きく変化させたためと考えられる。
結論
3ボールトライボロジーの形状は、異なるニュートン溶液を妥当な精度で区別できる。ステンレス鋼とシリコーンエラストマーの接触では、グリセロール含有量が多いほど、低速摺動でより優れた潤滑性が得られるようである。
これらの結果は、食品およびパーソナルケア産業における配合の重要性を示している。したがって、ローション（乳液）、軟膏、クリーム、歯磨き粉、さらには食品などの製品において、トライボロジー特性を理解することは重要である。