Wprowadzenie
Dziedzina trybologii (w szczególności bio-tribologii) zyskuje w ostatnich latach coraz większą uwagę sektora dóbr szybkozbywalnych ze względu na szeroki zakres potencjalnych spostrzeżeń, jakie może dostarczyć [1]. Niedawne prace wykazały znaczenie i istotność pomiarów trybologicznych dla postrzegania przez konsumentów produktów higieny osobistej [2] i niezwykle ważne jest, aby trybolodzy dysponowali narzędziami do pomiaru szeregu reżimów smarowania z dobrą dokładnością i czułością.
Niniejsza nota aplikacyjna podsumowuje badania tribologiczne roztworów wody i glicerolu, składników powszechnie stosowanych w produktach higieny osobistej.
Konfiguracja celi trybologicznej
Konfiguracja składała się z 3-kulowej górnej geometrii Tribology (promień punktu środkowego kuli = 11,25 mm od środka) i kubka wydrukowanego w 3D (patrz rysunki 1 i 2), przymocowanego za pomocą kleju do geometrii płaskiej płyty w celu łatwego montażu. Kubek z nadrukiem 3D pozwala na pełne zanurzenie powierzchni styku, co ma następujące zalety: a) eliminuje potencjalne artefakty w przypadku słabo pokrytych powierzchni oraz b) lepiej odwzorowuje rzeczywiste środowiska, takie jak jama ustna (np. w przypadku żywności i pasty do zębów), w których trybologia jest ważna. Pomiary przeprowadzono w temperaturze laboratoryjnej (20°C).
Geometria dna została zaprojektowana tak, aby umożliwić łatwą wymianę dolnych powierzchni. Materiałem powierzchni dolnej był elastomer silikonowy (typ elastomeru silikonowego: vmq, SAMCO), wykrawany z arkusza materiału i czyszczony izopropanolem przed użyciem. Do każdego pomiaru używana była nowa powierzchnia. Materiał ten nadaje się do wytwarzania powtarzalnych próbek i został wybrany, ponieważ był używany jako analog powierzchni jamy ustnej w poprzednich badaniach.
Mocowanie trzech kulek ma tę zaletę, że zapewnia cykliczny kontakt z powierzchnią podczas pomiaru w stanie ustalonym. Pozwala to na bardziej "realistyczną" symulację scenariuszy doświadczanych w pielęgnacji osobistej, takich jak wcieranie kremu dermatologicznego w skórę, gdzie materiał jest nierównomiernie transportowany i ściskany między kontaktami. Może to jednak skutkować słabą odtwarzalnością pomiarów, jeśli materiały są trudne do spójnego rozprowadzenia, takie jak te z granicą plastyczności, podczas początkowych pomiarów z niską prędkością poślizgu.
1-kulkowe i 3-kulkowe ogniwo trybologiczne
Jednokulowa komórka trybologiczna jest rozsądnym wyborem do symulacji niektórych zastosowań higieny osobistej, ale ze względu na charakter tej konstrukcji zabrania ona promieniowego i stycznego ruchu materiału, indukując jedynie Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład styczny, który jest marginalnie mniej realistyczny. Jednokulowa komórka trybologiczna byłaby dobrze dostosowana do bardzo modelowych systemów, w których minimalizacja artefaktów pomiarowych jest preferowana w stosunku do symulacji aplikacji.
Warunki pomiaru
Testy przeprowadzono przy przybliżonym poziomie wypełnienia 3/4 (~25 g) w geometrii 3-kulkowej, aby umożliwić ciągłą wymianę materiału smarującego i zmniejszyć prawdopodobieństwo usunięcia cienkiej warstwy smaru z powierzchni przy dużej prędkości z powodu siły odśrodkowej.
Wyniki i dyskusja
Przeprowadzono następujące obliczenia w celu określenia współczynnika tarcia (CoF) i (liniowej) prędkości poślizgu, U, w mm/s.
gdzie Γ to moment obrotowy, R to promień do punktu środkowego kuli (11,25 mm), a FN to siła normalna.
U= ωR
gdzie ω to prędkość kątowa w rad/s.
Większość przedstawionych danych wykazuje dobrą zgodność z tradycyjnym zachowaniem smarowania (patrz rysunki 3 i 4). Przy niskich prędkościach poślizgu występuje niezależność prędkości poślizgu, co wskazuje na reżim całkowitego kontaktu powierzchniowego. Przy rosnących prędkościach poślizgu CoF zmniejsza się, co wskazuje na mieszany reżim, w którym występuje częściowy kontakt powierzchniowy i smarowanie. Wreszcie obserwuje się wzrost współczynnika CoF, co wskazuje na reżim smarowania hydrodynamicznego, w którym osiąga się pełną separację powierzchni, a właściwości trybologiczne są określane przez reologię masową środka smarnego, głównie lepkość. Wartości CoF mieszczą się w rozsądnych zakresach, wartości powyżej 1 są możliwe nawet w dobrze smarujących układach ze środkami smarnymi o wysokiej lepkości.
Wraz ze wzrostem stężenia glicerolu następuje wzrost CoF przy niskich prędkościach ślizgowych, który jest natychmiast odwracany, gdy zawartość glicerolu wynosi 100 w/w%. Ponadto wraz ze wzrostem stężenia glicerolu początek reżimu hydrodynamicznego przesuwa się do niższych prędkości ślizgowych, a zatem są to lepsze środki smarne. Wartości CoF dla wszystkich roztworów, innych niż 100 w/w% glicerolu, są podobne przy dużych prędkościach ślizgowych.
Aby rozdzielić efekty lepkości i interakcji powierzchnia-powierzchnia, dane można wykreślić jako iloczyn prędkości ślizgania skorygowany o lepkość, ηU.
Tabela 1: Lepkość pozorna w stanie ustalonym różnych roztworów wody i glicerolu
| StosunekH2O: glicerol | Średnia lepkość (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 |
large Różne roztwory częściowo załamują się na krzywej wzorcowej z wyraźnym odchyleniem pojawiającym się przy dużych prędkościach poślizgu; może to wskazywać, że część różnic między próbkami można przypisać lepkości roztworu. Roztwory o większej lepkości mogą przenosić większe obciążenia normalne, a roztwory o niskiej lepkości mogą być łatwo odrzucane spomiędzy powierzchni, co prowadzi do kontaktu powierzchniowego i wyższego współczynnika CoF.
Zmienność przy dużych prędkościach ślizgowych pokazana na wykresach z korektą lepkości może wynikać z różnic w lepkości ogólnej, które powodują bardziej znaczące zmiany w odczytach momentu obrotowego.
Wnioski
3-kulowa geometria tribologiczna może rozróżniać różne roztwory newtonowskie z rozsądnym stopniem dokładności. Wyższa zawartość glicerolu wydaje się zapewniać lepszą smarowność przy niższych prędkościach ślizgowych w przypadku kontaktu elastomeru silikonowego ze stalą nierdzewną.
Wyniki te pokazują znaczenie formulacji w przemyśle spożywczym i higieny osobistej, gdzie istotne są takie czynniki, jak odczucie w ustach lub postrzeganie produktu na skórze. Dlatego też właściwości trybologiczne są ważne do zrozumienia dla produktów takich jak balsamy (emulsje), maści, kremy, pasty do zębów, a nawet żywność.