| Published: 

Смазывающие свойства ингредиентов для личной гигиены с помощью трибологических испытаний

Введение

В последние годы трибология (в частности, биотрибология) привлекает все больше внимания со стороны сектора быстрорастущих потребительских товаров благодаря широкому спектру потенциальных знаний, которые она может дать [1]. Недавние работы показали важность и значимость трибологических измерений для восприятия потребителями продуктов личной гигиены [2], и очень важно, чтобы трибологи имели инструменты для измерения различных режимов смазки с высокой точностью и чувствительностью.

В этом приложении приводится краткое описание исследования трибологических испытаний водно-глицериновых растворов, ингредиентов, часто встречающихся в средствах личной гигиены.

Конфигурация трибологической ячейки

Конфигурация состояла из 3-шариковой трибологической верхней геометрии (радиус шарика в средней точке = 11,25 мм от центра) и 3D-печатной чашки (см. рис. 1 и 2), прикрепленной с помощью клея к плоской геометрии пластины для удобства монтажа. 3D-печатная чашка позволяет полностью погрузить контактирующие поверхности в воду, что дает следующие преимущества: а) устраняет потенциальные артефакты при плохом покрытии поверхностей и б) лучше воспроизводит реальные условия, такие как полость рта (например, для еды и зубной пасты), где трибология имеет большое значение. Измерения проводились при лабораторной температуре (20°C).

Геометрия дна разработана таким образом, чтобы поверхности дна можно было легко менять местами. Материал поверхности дна - силиконовый эластомер (тип силиконового эластомера: vmq, SAMCO), вырезанный из листового материала и очищенный изопропанолом перед использованием. Для каждого измерения использовалась свежая поверхность. Этот материал позволяет получать повторяющиеся образцы и был выбран, поскольку он использовался в качестве аналога ротовой поверхности в предыдущих исследованиях.

Преимущество трехшариковой насадки заключается в том, что она обеспечивает циклический контакт с поверхностью во время измерений в стационарном состоянии. Это позволяет более "реалистично" моделировать сценарии, возникающие при личном уходе, например, при втирании дерматологического крема в кожу, когда материал неравномерно перемещается и сжимается между контактами. Однако это может привести к ухудшению воспроизводимости измерений, если материалы трудно распределить последовательно, например, материалы с пределом текучести, во время начальных измерений с низкой скоростью скольжения.

1) Изображения типичной конфигурации трибологической геометрии и подложки из силиконового эластомера
2) Схема трибологической геометрической установки

трибологическая ячейка с 1 шариком против 3 шариков

Трибологическая ячейка с одним шаром - подходящий выбор для моделирования некоторых приложений по уходу за кожей, но из-за особенностей конструкции она запрещает радиальное и тангенциальное движение материала, вызывая только тангенциальное распределение, что несколько менее реалистично. Трибологическая ячейка с одним шариком хорошо подходит для очень модельных систем, где минимизация артефактов измерений предпочтительнее моделирования приложений.

Условия измерения

Испытания проводились с уровнем заполнения примерно 3/4 (~25 г) в геометрии 3 шаров, чтобы обеспечить постоянную замену смазочного материала и снизить вероятность удаления тонкого слоя смазки с поверхности на высокой скорости под действием центробежной силы.

Результаты и обсуждение

Для определения коэффициента трения (CoF) и (линейной) скорости скольжения, U, в мм/с были проведены следующие расчеты.

где Γ - крутящий момент, R - радиус до средней точки шара (11,25 мм), FN - нормальная сила.

U= ωR

где ω - угловая скорость в рад/с.

Большинство представленных данных хорошо согласуется с традиционным поведением смазки (см. рис. 3 и 4). При низких скоростях скольжения наблюдается независимость от скорости скольжения, что указывает на режим полного контакта поверхностей. При увеличении скорости скольжения CoF уменьшается, что свидетельствует о смешанном режиме, при котором происходит частичный контакт поверхности (поверхностей) с асперитами и смазка. Наконец, наблюдается увеличение CoF, что свидетельствует о гидродинамическом режиме смазки, при котором достигается полное разделение поверхностей, а трибологические свойства определяются объемной реологией смазочного материала, преимущественно вязкостью. Значения CoF находятся в разумных пределах, значения выше 1 возможны даже в хорошо смазываемых системах с высоковязкими смазочными материалами.

3) Изменение коэффициента трения в зависимости от скорости скольжения для различных водно-глицериновых растворов.
4) Изменение коэффициента трения в зависимости от скорости скольжения с поправкой на вязкость.

С увеличением концентрации глицерина наблюдается увеличение CoF при низких скоростях скольжения, которое сразу же меняется на противоположное, когда содержание глицерина достигает 100 мас.%. Кроме того, с увеличением концентрации глицерина начало гидродинамического режима смещается в сторону более низких скоростей скольжения, поэтому они являются лучшими смазочными материалами. Значения CoF для всех растворов, кроме глицерина с концентрацией 100 мас. %, одинаковы при высоких скоростях скольжения.

Чтобы разделить эффекты вязкости и взаимодействия поверхности с поверхностью, данные можно представить в виде произведения скорости скольжения, скорректированной на вязкость, ηU.

Таблица 1: Стационарная кажущаяся вязкость различных водно-глицериновых растворов

Соотношение H2O: глицеринСредняя вязкость (Па.с)±σ
1:00.00130.0004
0.75:0.250.00210.0009
0.5:0.50.00640.0012
0.25:0.750.02300.0028
0.10.82590.0392

Различные растворы частично сходятся на основной кривой с явным отклонением, появляющимся при высоких скоростях скольжения; это может указывать на то, что large часть различий между образцами может быть обусловлена вязкостью раствора. Более вязкие растворы могут выдерживать более высокие нормальные нагрузки, а растворы с низкой вязкостью могут легко отторгаться от поверхности, что приводит к контакту поверхностей и более высокому CoF.

Различия при высоких скоростях скольжения, показанные на графиках с поправкой на вязкость, вполне могут быть связаны с различиями в объемной вязкости, вызывающими более значительные изменения в показаниях крутящего момента.

Выводы

Трехшариковая трибологическая геометрия позволяет с достаточной степенью точности различать различные ньютоновские растворы. Более высокое содержание глицерина, по-видимому, обеспечивает лучшую смазку при более низких скоростях скольжения для контакта нержавеющей стали и силиконового эластомера.

Эти результаты свидетельствуют о важности рецептуры в пищевой промышленности и индустрии личной гигиены, где важны такие факторы, как ощущение во рту или восприятие продукта на коже. Поэтому трибологические свойства важно понимать для таких продуктов, как лосьоны (эмульсии), мази, кремы, зубные пасты и даже продукты питания.

Literature

  1. [1]
    Meng Y, Xu J, Jin Z, Prakash B, Hu Y. Обзор последних достижений в трибологии. Том 8, Трение. 2020. 221-300 p.
  2. [2]
    Ли Дж, Лу Дж, Потанин А, Бойк К. Прогнозирование тактильно-сенсорных характеристик увлажняющих средств для лица с помощью реологии и трибологии. Биотрибология. 2021;28 (сентябрь).