Proprietățile lubrifiante ale ingredientelor de îngrijire personală prin intermediul testelor tribologice

Introducere

În ultimii ani, domeniul tribologiei (în special, bio-tribologia) a câștigat mai multă atenție din partea sectorului bunurilor de consum în mișcare rapidă, datorită unei game largi de informații potențiale pe care le poate oferi [1]. Lucrări recente au arătat importanța și relevanța măsurătorilor tribologice pentru percepția consumatorilor asupra produselor de îngrijire personală [2] și este esențial ca tribologii să aibă instrumente pentru a măsura o gamă largă de regimuri de lubrifiere cu acuratețe și sensibilitate bune.

Această notă de aplicație rezumă un studiu privind testarea tribologică a soluțiilor de apă-glicerol, ingrediente comune în produsele de îngrijire personală.

Configurația celulei de tribologie

Configurația a constat dintr-o geometrie superioară de tribologie cu 3 bile (raza punctului median al bilei = 11,25 mm de la centru) și o cupă imprimată 3D (a se vedea figurile 1 și 2), atașată cu ajutorul unui adeziv la o geometrie de placă plată pentru o montare ușoară. Cupa imprimată 3D permite ca suprafețele de contact să se afle în imersiune completă, ceea ce are avantajele: a) de a elimina potențialele artefacte pentru suprafețele slab acoperite și b) de a reproduce mai bine mediile din lumea reală, cum ar fi gura (de exemplu, pentru alimente și pastă de dinți), unde tribologia este importantă. Măsurătorile au fost efectuate la temperatura de laborator (20°C).

Geometria fundului este concepută astfel încât suprafețele fundului să poată fi înlocuite cu ușurință. Materialul suprafeței inferioare a fost un elastomer siliconic (tip elastomer siliconic: vmq, SAMCO), perforat dintr-o foaie de material și curățat cu izopropanol înainte de utilizare. O suprafață nouă a fost utilizată pentru fiecare măsurare. Materialul se pretează la producerea de probe repetabile și a fost selectat deoarece a fost utilizat ca analog al suprafeței bucale în cercetări anterioare.

Atașamentul cu trei bile are avantajul de a oferi un contact ciclic al suprafeței în timpul măsurării în regim staționar. Acest lucru permite simularea mai "realistă" a scenariilor întâlnite în îngrijirea personală, cum ar fi frecarea unei creme dermatologice pe piele, unde materialul este transportat și comprimat inegal între contacte. Cu toate acestea, acest lucru poate duce la o reproductibilitate scăzută a măsurătorilor în cazul în care materialele sunt dificil de împrăștiat în mod constant, cum ar fi cele cu o Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiune de curgere, în timpul măsurătorilor inițiale cu viteză de alunecare redusă.

celulă tribologică cu 1 bilă versus 3 bile

Celula tribologică cu o singură bilă este o alegere rezonabilă pentru simularea unor aplicații de îngrijire personală, dar, datorită naturii acestui design, interzice mișcarea radială și tangențială a materialului, inducând doar distribuția tangențială, care este puțin mai puțin realistă. Celula tribologică cu o singură bilă ar fi potrivită pentru sistemele foarte modelate, în care minimizarea artefactelor de măsurare este preferată simulării aplicațiilor.

Condiții de măsurare

Testele au fost efectuate cu un nivel de umplere de aproximativ 3/4 (~25 g) în geometria cu 3 bile pentru a permite înlocuirea constantă a materialului lubrifiant și pentru a reduce probabilitatea ca un strat subțire de lubrifiant să fie îndepărtat de pe suprafață la viteză mare, din cauza forței centrifuge.

Rezultate și discuții

Următoarele calcule au fost efectuate pentru a elucida coeficientul de frecare (CoF) și viteza de alunecare (liniară), U, în mm/s.

unde Γ este cuplul, R este raza până la punctul median al bilei (11,25 mm) și_FN este forța normală.

U= ωR

unde ω este viteza unghiulară în rad/s.

Majoritatea datelor prezentate sunt în bună concordanță cu comportamentul tradițional de lubrifiere (a se vedea figurile 3 și 4). La viteze mici de alunecare, există o independență față de viteza de alunecare, ceea ce indică un regim de contact total al suprafeței. La creșterea vitezelor de alunecare, CoF se reduce, ceea ce indică un regim mixt în care există contact și lubrifiere parțială a asperităților suprafeței (suprafețelor). În cele din urmă, se observă o creștere a CoF, ceea ce indică regimul de lubrifiere hidrodinamică în care se realizează o separare totală a suprafețelor, iar proprietățile tribologice sunt determinate de reologia în masă a lubrifiantului, în special de vâscozitate. Valorile CoF se încadrează în intervale rezonabile, valori de peste 1 fiind posibile chiar și în sisteme bine lubrifiate cu lubrifianți cu vâscozitate ridicată.

Odată cu creșterea concentrației de glicerină, există o creștere a CoF la viteze de alunecare scăzute, care este imediat inversată atunci când conținutul de glicerină este de 100 g/g%. În plus, odată cu creșterea concentrației de glicerol, debutul regimului hidrodinamic se deplasează la viteze de alunecare mai mici și, prin urmare, sunt lubrifianți mai buni. Valorile CoF pentru toate soluțiile, altele decât glicerolul 100 w/w%, sunt similare la viteze mari de alunecare.

Pentru a distinge efectele vâscozității și ale interacțiunii suprafață-suprafață, datele pot fi reprezentate grafic ca produs al vitezei de alunecare corectate în funcție de vâscozitate, ηU.

Tabelul 1: Vâscozitatea aparentă în stare stabilă a diferitelor soluții apă-glicerol

Diferitele soluții se prăbușesc parțial pe o curbă principală, cu o abatere evidentă care apare la viteze mari de alunecare; acest lucru ar putea indica faptul că o parte large a diferențelor dintre probe ar putea fi atribuită vâscozității soluției. Soluțiile mai vâscoase pot suporta sarcini normale mai mari, iar soluțiile cu vâscozitate scăzută pot fi respinse cu ușurință între suprafețe, ceea ce duce la contactul cu suprafața și la un CoF mai mare.

Variația la viteze mari de alunecare prezentată în graficele corectate în funcție de vâscozitate poate fi cauzată de diferențele de vâscozitate în vrac care determină modificări mai semnificative ale citirilor cuplului.

Concluzii

Geometria tribologică cu 3 bile poate distinge între diferite soluții newtoniene cu un grad rezonabil de precizie. Un conținut mai ridicat de glicerină pare să asigure o lubrifiere mai bună la viteze de alunecare mai mici pentru un contact elastomer oțel inoxidabil-silicon.

Aceste rezultate arată importanța formulării în industria alimentară și de îngrijire personală, unde sunt relevanți factori precum senzația în gură sau percepția produsului pe piele. Prin urmare, proprietățile tribologice sunt importante de înțeles pentru produse precum loțiuni (emulsii), unguente, creme, paste de dinți și chiar alimente.