소개
마찰학(특히, 생체 마찰학) 분야는 최근 몇 년간 빠르게 변화하는 소비재 부문에서 다양한 잠재적 인사이트를 제공할 수 있기 때문에 더 많은 관심을 받고 있습니다[1]. 최근 연구에 따르면 개인 위생용품에 대한 소비자 인식에 있어 마찰학 측정의 중요성과 관련성이 밝혀졌으며[2], 마찰학자들은 다양한 윤활 체계를 정확하고 민감하게 측정할 수 있는 도구를 갖추는 것이 매우 중요합니다.
이 애플리케이션 노트는 퍼스널 케어 제품에 흔히 사용되는 성분인 물-글리세롤 용액의 마찰 테스트에 대한 연구를 요약한 것입니다.
트라이볼로지 셀 구성
구성은 3볼 마찰학 상부 지오메트리(볼 중간점 반경 = 중심으로부터 11.25mm)와 3D 프린팅 컵(그림 1, 2 참조)으로 구성되었으며, 쉽게 장착할 수 있도록 평판 지오메트리에 접착제를 사용하여 부착했습니다. 3D 프린팅 컵을 사용하면 접촉 표면을 완전히 담글 수 있어 a) 잘 덮이지 않은 표면의 잠재적인 아티팩트를 제거하고, b) 마찰학이 중요한 입(예: 음식 및 치약)과 같은 실제 환경을 더 잘 재현할 수 있다는 이점이 있습니다. 측정은 실험실 온도(20°C)에서 수행되었습니다.
바닥 형상은 바닥 표면을 쉽게 교체할 수 있도록 설계되었습니다. 바닥 표면 재료는 실리콘 엘라스토머(실리콘 엘라스토머 유형: vmq, SAMCO)로 시트 재료에서 펀칭하고 사용 전에 이소프로판올로 세척했습니다. 모든 측정에는 새로운 표면을 사용했습니다. 이 재료는 반복 가능한 샘플 생산에 적합하며 이전 연구에서 구강 표면 유사체로 사용되어 왔기 때문에 선택되었습니다.
3볼 어태치먼트는 정상 상태 측정 시 주기적인 표면 접촉을 제공하는 이점이 있습니다. 이를 통해 피부과 크림을 피부에 문지르는 것과 같이 접촉면 사이에 물질이 불균등하게 전달되고 압축되는 개인 관리 시나리오를 보다 '현실적인' 방식으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 하지만 초기 낮은 슬라이딩 속도 측정 시 항복 응력이 있는 재료와 같이 재료가 일관되게 퍼지기 어려운 경우 측정 재현성이 떨어질 수 있습니다.
1볼 대 3볼 트리볼로지 셀
원볼 트리볼로지 셀은 일부 퍼스널 케어 애플리케이션을 시뮬레이션하는 데 적합한 선택이지만, 이 설계의 특성상 재료의 방사형 및 접선 이동을 금지하고 접선 분포만 유도하므로 현실성이 약간 떨어집니다. 원볼 마찰 셀은 애플리케이션 시뮬레이션보다 측정 아티팩트의 최소화가 우선시되는 매우 모델링된 시스템에 적합합니다.
측정 조건
윤활유를 지속적으로 교체하고 원심력으로 인해 표면에서 얇은 윤활유 층이 고속으로 제거될 가능성을 줄이기 위해 3볼 지오메트리에서 약 3/4 충전 수준(~25g)으로 테스트를 수행했습니다.
결과 및 토론
다음 계산은 마찰 계수(CoF)와 (선형) 슬라이딩 속도 U(mm/s)를 설명하기 위해 수행되었습니다.
여기서 Γ는 토크, R은 볼 중간점까지의 반경(11.25mm), FN은 정상 힘입니다.
U= ωR
여기서 ω는 각속도(rad/s)입니다.
표시된 대부분의 데이터는 기존의 윤활 거동과 잘 일치합니다(그림 3 및 4 참조). 낮은 슬라이딩 속도에서는 슬라이딩 속도 독립성이 나타나며, 이는 전체 표면 접촉 체제를 나타냅니다. 슬라이딩 속도가 증가하면 CoF가 감소하는데, 이는 부분적인 표면 접촉과 윤활이 혼합된 체제를 나타냅니다. 마지막으로 CoF의 증가가 관찰되는데, 이는 완전한 표면 분리가 이루어지고 윤활유의 벌크 유변학, 주로 점도에 의해 마찰 특성이 결정되는 유체 역학적 윤활 체제를 나타냅니다. CoF 값은 합리적인 범위 내에 있으며, 고점도 윤활유를 사용하는 윤활 시스템에서도 1 이상의 값이 나올 수 있습니다.
글리세롤 농도가 증가하면 낮은 슬라이딩 속도에서 CoF가 증가하다가 글리세롤 함량이 100 w/w%일 때 즉시 역전됩니다. 또한 글리세롤 농도가 증가하면 유체 역학 체계의 시작이 낮은 슬라이딩 속도로 이동하므로 더 나은 윤활제가 됩니다. 글리세롤 100 w/w%를 제외한 모든 용액의 CoF 값은 높은 슬라이딩 속도에서 비슷합니다.
점도 및 표면-표면 상호 작용 효과를 분리하기 위해 점도를 보정한 슬라이딩 속도 곱인 ηU로 데이터를 플로팅할 수 있습니다.
표 1: 다양한 물-글리세롤 용액의 정상 상태 겉점도
| H2O: 글리세롤 비율 | 평균 점도(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 |
서로 다른 용액은 높은 슬라이딩 속도에서 뚜렷한 편차가 나타나면서 마스터 곡선 위로 부분적으로 붕괴되는데, 이는 샘플 간 차이의 large 일부가 용액 점도에 기인할 수 있음을 나타낼 수 있습니다. 점도가 높은 용액은 더 높은 정상 하중을 지탱할 수 있고, 점도가 낮은 용액은 표면 사이에서 쉽게 거부되어 표면 접촉과 더 높은 CoF로 이어질 수 있습니다.
점도 보정 플롯에 표시된 높은 슬라이딩 속도에서의 변화는 벌크 점도의 차이로 인해 토크 판독값에 더 큰 변화가 발생하기 때문일 수 있습니다.
결론
3볼 트라이볼 지오메트리는 다양한 뉴턴 솔루션을 합리적인 수준의 정확도로 구분할 수 있습니다. 글리세롤 함량이 높을수록 스테인리스 스틸-실리콘 엘라스토머 접촉 시 낮은 슬라이딩 속도에서 더 나은 윤활성을 제공하는 것으로 나타났습니다.
이러한 결과는 식감이나 피부에서의 제품 인식과 같은 요소가 중요한 식품 및 퍼스널 케어 산업에서 제형의 중요성을 보여줍니다. 따라서 로션(에멀젼), 연고, 크림, 치약, 심지어 식품과 같은 제품에서는 마찰 특성을 이해하는 것이 중요합니다.