Inleiding
Het vakgebied tribologie (specifiek biotribologie) krijgt de laatste jaren steeds meer aandacht van de Fast Moving Consumer Goods sector vanwege de vele potentiële inzichten die het kan opleveren [1]. Recent werk heeft het belang en de relevantie aangetoond van tribologische metingen voor de consumentenperceptie van persoonlijke verzorgingsproducten [2], en het is van cruciaal belang dat tribologen instrumenten hebben om een reeks smeringsregimes met goede nauwkeurigheid en gevoeligheid te meten.
Deze toepassingsnotitie geeft een samenvatting van een onderzoek naar het tribologisch testen van water-glyceroloplossingen, ingrediënten die veel voorkomen in producten voor persoonlijke verzorging.
Tribologie Celconfiguratie
De configuratie bestond uit een 3-Ball Tribology Upper Geometry (radius van het middelpunt van de kogel = 11,25 mm van het middelpunt) en een 3D-geprinte cup (zie Figuren 1 en 2), bevestigd met een kleefmiddel op een vlakke plaatgeometrie voor eenvoudige montage. De 3D-geprinte cup maakt het mogelijk om de contactoppervlakken volledig onder te dompelen, wat het voordeel heeft dat a) potentiële artefacten voor slecht bedekte oppervlakken worden verwijderd en b) realistische omgevingen zoals de mond (bijv. voor voedsel en tandpasta), waar tribologie belangrijk is, beter worden nagebootst. De metingen werden uitgevoerd bij laboratoriumtemperatuur (20°C).
De geometrie van de bodem is zo ontworpen dat bodemoppervlakken gemakkelijk verwisseld kunnen worden. Het materiaal van het bodemoppervlak was een siliconenelastomeer (type siliconenelastomeer: vmq, SAMCO), gestanst uit plaatmateriaal en voor gebruik gereinigd met isopropanol. Voor elke meting werd een nieuw oppervlak gebruikt. Het materiaal leent zich voor het produceren van reproduceerbare monsters en werd gekozen omdat het in eerder onderzoek is gebruikt als een mondoppervlakanaloog.
De bevestiging met drie kogels heeft het voordeel dat er cyclisch contact is met het oppervlak tijdens de steady state meting. Dit maakt een meer 'realistische' simulatie mogelijk van scenario's die zich voordoen in de persoonlijke verzorging, zoals het wrijven van een dermatologische crème op de huid, waarbij het materiaal ongelijkmatig wordt getransporteerd en samengedrukt tussen de contacten. Dit kan echter resulteren in een slechte reproduceerbaarheid van de metingen als materialen moeilijk consistent te verspreiden zijn, zoals materialen met een OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning, tijdens de eerste metingen met een lage glijsnelheid.
1-kogel versus 3-kogel Tribologiecel
De tribologiecel met één kogel is een redelijke keuze voor het simuleren van sommige toepassingen voor persoonlijke verzorging, maar door de aard van dit ontwerp is het onmogelijk om materiaal radiaal en tangentieel te verplaatsen en wordt alleen tangentiële distributie geïnduceerd, wat marginaal minder realistisch is. De tribologiecel met één kogel zou zeer geschikt zijn voor modelsystemen waarbij minimalisatie van meetartefacten de voorkeur heeft boven simulatie van toepassingen.
Meetomstandigheden
De tests werden uitgevoerd met een ongeveer 3/4 vulniveau (~25 g) in de 3-kogelgeometrie om constante vervanging van smeermateriaal mogelijk te maken en om de kans te verkleinen dat een dunne smeermiddellaag bij hoge snelheid door centrifugale kracht van het oppervlak wordt verwijderd.
Resultaten en discussie
De volgende berekeningen werden uitgevoerd om de wrijvingscoëfficiënt (CoF) en (lineaire) glijsnelheid, U, in mm/s op te helderen.
waarbij Γ het koppel is, R de straal tot het middelpunt van de kogel (11,25 mm) enFN de normaalkracht.
U= ωR
waarbij ω de hoeksnelheid in rad/s is.
De meeste getoonde gegevens komen goed overeen met traditioneel smeergedrag (zie figuren 3 en 4). Bij lage glijsnelheden is de glijsnelheid onafhankelijk, wat duidt op een totaal oppervlaktecontact. Bij toenemende glijsnelheden neemt de CoF af, wat duidt op een gemengd regime met gedeeltelijk asperiteitscontact en smering. Tot slot wordt een toename in CoF waargenomen, wat duidt op het hydrodynamische smeringsregime waarbij volledige oppervlaktescheiding wordt bereikt en tribologische eigenschappen worden bepaald door de bulkreologie van het smeermiddel, voornamelijk viscositeit. CoF-waarden liggen binnen redelijke marges, waarden boven 1 zijn zelfs mogelijk in goed smerende systemen met smeermiddelen met een hoge viscositeit.
Met toenemende glycerolconcentratie is er een toename in CoF bij lage glijsnelheden die onmiddellijk wordt omgekeerd wanneer het glycerolgehalte 100 w/w% is. Bovendien verschuift bij een hogere glycerolconcentratie het begin van het hydrodynamische regime naar lagere glijsnelheden en zijn daarom betere smeermiddelen. CoF waarden voor alle oplossingen, anders dan 100 w/w% glycerol, zijn vergelijkbaar bij hoge glijsnelheden.
Om de effecten van viscositeit en oppervlakte-oppervlakte-interactie uit elkaar te houden, kunnen de gegevens worden uitgezet als voor viscositeit gecorrigeerd glijsnelheidsproduct, ηU.
Tabel 1: Steady-state schijnbare viscositeit van verschillende water-glyceroloplossingen
| VerhoudingH2O: glycerol | Gemiddelde viscositeit (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 |
De verschillende oplossingen vallen gedeeltelijk samen in een hoofdcurve met duidelijke afwijkingen bij hoge glijsnelheden; dit zou erop kunnen wijzen dat een large deel van de verschillen tussen de monsters kan worden toegeschreven aan de viscositeit van de oplossing. Oplossingen met een hogere viscositeit kunnen hogere normale belastingen dragen, oplossingen met een lage viscositeit kunnen gemakkelijk worden afgestoten tussen oppervlakken, wat leidt tot oppervlaktecontact en een hogere CoF.
De variatie bij hoge glijsnelheden in de voor viscositeit gecorrigeerde grafieken kan te wijten zijn aan de verschillen in bulkviscositeit die significantere veranderingen in de aflezingen van het koppel veroorzaken.
Conclusies
De 3-ball Tribology geometrie kan met een redelijke mate van nauwkeurigheid onderscheid maken tussen verschillende Newtonse oplossingen. Een hoger glycerolgehalte blijkt een betere smering te bieden bij lagere glijsnelheden voor een contact tussen roestvrij staal en siliconenelastomeer.
Deze resultaten tonen het belang aan van formulering in de voedingsmiddelen- en persoonlijke verzorgingsindustrie, waar factoren zoals mondgevoel of productperceptie op de huid relevant zijn. Daarom zijn de tribologische eigenschappen belangrijk om te begrijpen voor producten zoals lotions (emulsies), zalven, crèmes, tandpasta's en zelfs voedingsmiddelen.