Introdução
O campo da tribologia (especificamente, a biotribologia) está ganhando mais atenção do setor de bens de consumo de rápida movimentação nos últimos anos devido a uma ampla gama de percepções potenciais que pode oferecer [1]. Trabalhos recentes mostraram a importância e a relevância das medições tribológicas para a percepção do consumidor sobre produtos de cuidados pessoais [2], e é fundamental que os tribólogos tenham ferramentas para medir uma variedade de regimes de lubrificação com boa precisão e sensibilidade.
Esta Nota de Aplicação resume um estudo do teste tribológico de soluções de água-glicerol, ingredientes comuns em produtos de cuidados pessoais.
Configuração da célula de tribologia
A configuração consistia em uma geometria superior de tribologia de 3 esferas (raio do ponto médio da esfera = 11,25 mm do centro) e um copo impresso em 3D (consulte as Figuras 1 e 2), fixado com um adesivo a uma geometria de placa plana para facilitar a montagem. O copo impresso em 3D permite que as superfícies de contato fiquem sob imersão total, o que traz as vantagens de a) remover possíveis artefatos de superfícies mal cobertas e b) reproduzir melhor ambientes do mundo real, como a boca (por exemplo, para alimentos e pasta de dente), onde a tribologia é importante. As medições foram realizadas em temperatura de laboratório (20°C).
A geometria do fundo foi projetada para permitir que as superfícies do fundo sejam trocadas facilmente. O material da superfície do fundo era um elastômero de silicone (tipo de elastômero de silicone: vmq, SAMCO), perfurado a partir de uma folha de material e limpo com isopropanol antes do uso. Uma nova superfície foi usada para cada medição. O material se presta a produzir amostras repetíveis e foi selecionado por ter sido usado como um análogo da superfície da boca em pesquisas anteriores.
O acessório de três esferas tem a vantagem de proporcionar contato cíclico com a superfície durante a medição de estado estável. Isso permite uma simulação mais "realista" de cenários vivenciados em cuidados pessoais, como a fricção de um creme dermatológico na pele, em que o material é transportado e comprimido de forma desigual entre os contatos. No entanto, isso pode resultar em baixa reprodutibilidade da medição se os materiais forem difíceis de espalhar de forma consistente, como aqueles com Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento, durante as medições iniciais de baixa velocidade de deslizamento.
célula de tribologia de 1 esfera versus 3 esferas
A célula de tribologia de uma bola é uma opção razoável para simular algumas aplicações de cuidados pessoais, mas, devido à natureza desse projeto, ela proíbe o movimento radial e tangencial do material, induzindo apenas a distribuição tangencial, que é marginalmente menos realista. A célula de tribologia de uma bola seria adequada para sistemas muito modelares em que a minimização de artefatos de medição é preferível à simulação de aplicativos.
Condições de medição
Os testes foram realizados com um nível de preenchimento de aproximadamente 3/4 (~25 g) na geometria de 3 esferas para permitir a substituição constante do material lubrificante e para reduzir a probabilidade de uma fina camada de lubrificante ser removida da superfície em alta velocidade devido à força centrífuga.
Resultados e discussão
Os cálculos a seguir foram realizados para elucidar o coeficiente de atrito (CoF) e a velocidade de deslizamento (linear), U, em mm/s.
onde Γ é o torque, R é o raio até o ponto médio da esfera (11,25 mm) e FN é a força normal.
U= ωR
em que ω é a velocidade angular em rad/s.
A maioria dos dados mostrados está de acordo com o comportamento tradicional de lubrificação (veja as Figuras 3 e 4). Em baixas velocidades de deslizamento, a independência da velocidade de deslizamento está presente, o que indica um regime de contato de superfície total. Com o aumento das velocidades de deslizamento, o CoF diminui, o que indica um regime misto em que há contato e lubrificação parcial das asperezas da(s) superfície(s). Por fim, observa-se um aumento no CoF, o que indica o regime de lubrificação hidrodinâmica em que a separação total da superfície é alcançada e as propriedades tribológicas são determinadas pela reologia do lubrificante, principalmente a viscosidade. Os valores de CoF estão dentro de faixas sensíveis; valores acima de 1 são possíveis mesmo em sistemas bem lubrificados com lubrificantes de alta viscosidade.
Com o aumento da concentração de glicerol, há um aumento no CoF em baixas velocidades de deslizamento que é imediatamente revertido quando o teor de glicerol é de 100 w/w%. Além disso, com o aumento da concentração de glicerol, o início do regime hidrodinâmico muda para velocidades de deslizamento mais baixas e, portanto, são melhores lubrificantes. Os valores de CoF para todas as soluções, com exceção de 100 w/w% de glicerol, são semelhantes em altas velocidades de deslizamento.
Para separar os efeitos da viscosidade e da interação superfície-superfície, os dados podem ser plotados como produto de velocidade de deslizamento corrigido pela viscosidade, ηU.
Tabela 1: Viscosidade aparente em estado estacionário de diferentes soluções de água e glicerol
| Proporção de H2O: glicerol | Viscosidade média (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 As diferentes soluções colapsam parcialmente em uma curva principal com desvio evidente que aparece em altas velocidades de deslizamento; isso pode indicar que uma parte das diferenças entre as amostras pode ser atribuída à viscosidade da solução. As soluções mais viscosas podem suportar cargas normais mais altas, enquanto as soluções de baixa viscosidade podem ser facilmente rejeitadas entre as superfícies, levando ao contato com a superfície e a um CoF mais alto.
A variação em altas velocidades de deslizamento mostrada nos gráficos corrigidos por viscosidade pode muito bem ser atribuída às diferenças na viscosidade em massa que geram mudanças mais significativas nas leituras de torque.
Conclusões
A geometria de tribologia de 3 esferas pode distinguir entre diferentes soluções newtonianas com um grau razoável de precisão. O maior teor de glicerol parece proporcionar melhor lubrificação em velocidades de deslizamento mais baixas para um contato de elastômero de aço inoxidável-silicone.
Esses resultados mostram a importância da formulação no setor de alimentos e cuidados pessoais, em que fatores como a sensação na boca ou a percepção do produto na pele são relevantes. Portanto, é importante entender as propriedades tribológicas de produtos como loções (emulsões), pomadas, cremes, cremes dentais e até mesmo alimentos.