Inledning
Tribologiområdet (särskilt biotribologi) har under de senaste åren fått allt större uppmärksamhet inom sektorn för snabbrörliga konsumentvaror på grund av de många potentiella insikter det kan ge [1]. Nyligen utförda studier har visat att tribologiska mätningar är viktiga och relevanta för konsumenternas uppfattning om produkter för personlig vård [2], och det är viktigt att tribologer har verktyg för att mäta en rad olika smörjregimer med god noggrannhet och känslighet.
Denna Application Note sammanfattar en studie av tribologisk testning av vatten-glycerollösningar, ingredienser som är vanliga i produkter för personlig vård.
Konfiguration av tribologicell
Konfigurationen bestod av en 3-Ball Tribology Upper Geometry (kulans mittpunktsradie = 11,25 mm från centrum) och en 3D-printad kopp (se figurerna 1 och 2), fäst med ett lim på en platt plattgeometri för enkel montering. Den 3D-utskrivna koppen gör att kontaktytorna kan vara helt nedsänkta, vilket har fördelen att a) potentiella artefakter för dåligt täckta ytor tas bort och b) bättre replikerar verkliga miljöer som munnen (t.ex. för mat och tandkräm) där tribologi är viktigt. Mätningarna utfördes vid laboratorietemperatur (20°C).
Bottengeometrin är utformad så att bottenytorna enkelt kan bytas ut. Bottenytans material var en silikonelastomer (silikonelastomer typ: vmq, SAMCO), stansad från ett arkmaterial och rengjord med isopropanol före användning. En ny yta användes för varje mätning. Materialet lämpar sig för att producera repeterbara prover och valdes eftersom det har använts som en analog munyta i tidigare forskning.
Fästanordningen med tre kulor har fördelen att den ger cyklisk ytkontakt under mätning i steady state. Detta möjliggör en mer "realistisk" simulering av scenarier som förekommer inom personlig vård, t.ex. när en dermatologisk kräm gnids in på huden, där materialet transporteras och komprimeras ojämnt mellan kontakterna. Detta kan dock leda till dålig reproducerbarhet om materialen är svåra att sprida jämnt, t.ex. material med SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning, under de inledande mätningarna med låg glidhastighet.
tribologicell med 1 kula jämfört med 3 kulor
Tribologicellen med en boll är ett rimligt val för att simulera vissa applikationer inom personlig vård, men på grund av konstruktionens karaktär förhindrar den radiell och tangentiell rörelse av materialet och inducerar endast tangentiell distribution, vilket är marginellt mindre realistiskt. Tribologicellen med en boll skulle vara väl lämpad för system med mycket modeller där minimering av mätartefakter är att föredra framför simulering av applikationer.
Mätförhållanden
Testerna utfördes med en ungefärlig fyllnadsnivå på 3/4 (~25 g) i 3-bollsgeometrin för att möjliggöra konstant utbyte av smörjmedel och för att minska sannolikheten för att ett tunt smörjmedelslager avlägsnas från ytan vid hög hastighet på grund av centrifugalkraften.
Resultat och diskussion
Följande beräkningar utfördes för att fastställa friktionskoefficient (CoF) och (linjär) glidhastighet, U, i mm/s.
där Γ är vridmomentet, R är radien till kulans mittpunkt (11,25 mm) ochFN är normalkraften.
U= ωR
där ω är vinkelhastigheten i rad/s.
De flesta data som visas har god överensstämmelse med traditionellt smörjbeteende (se figurerna 3 och 4). Vid låga glidhastigheter är glidhastighetsoberoendet närvarande, vilket indikerar en regim med total ytkontakt. Vid ökande glidhastigheter minskar CoF, vilket tyder på en blandad regim där det finns partiell ytkontakt och smörjning. Slutligen observeras en ökning av CoF, vilket indikerar den hydrodynamiska smörjregimen där full ytseparation uppnås och tribologiska egenskaper bestäms av smörjmedlets bulkreologi, främst viskositet. CoF-värdena ligger inom rimliga intervall, och värden över 1 är möjliga även i välsmörjande system med smörjmedel med hög viskositet.
Med ökande glycerolkoncentration sker en ökning av CoF vid låga glidhastigheter som omedelbart vänds när glycerolhalten är 100 viktprocent. Med ökad glycerolkoncentration förskjuts dessutom början av den hydrodynamiska regimen till lägre glidhastigheter och är därför bättre smörjmedel. CoF-värdena för alla lösningar, utom 100 viktprocent glycerol, är likartade vid höga glidhastigheter.
För att särskilja effekterna av viskositet och interaktion mellan yta och yta kan data plottas som viskositetskorrigerad glidhastighetsprodukt, ηU.
Tabell 1: Skenbar viskositet vid steady-state för olika vatten-glycerollösningar
| H2O: Glycerol-förhållande | Genomsnittlig viskositet (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 olika lösningarna faller delvis samman till en huvudkurva med tydliga avvikelser vid höga glidhastigheter; detta kan tyda på att en large del av skillnaderna mellan proverna kan hänföras till lösningens viskositet. Lösningar med högre viskositet klarar högre normalbelastningar, medan lösningar med låg viskositet lätt kan avlägsnas mellan ytorna, vilket leder till ytkontakt och högre CoF.
Variationen vid höga glidhastigheter som visas i de viskositetskorrigerade diagrammen kan mycket väl bero på att skillnaderna i bulkviskositet ger mer betydande förändringar i vridmomentavläsningarna.
Slutsatser
Den tribologiska geometrin med 3 kulor kan skilja mellan olika Newtonska lösningar med en rimlig grad av noggrannhet. Högre glycerolhalt verkar ge bättre smörjförmåga vid lägre glidhastigheter för en kontakt mellan rostfritt stål och silikonelastomer.
Dessa resultat visar hur viktig formuleringen är inom livsmedels- och hygienindustrin, där faktorer som munkänsla eller hur produkten upplevs på huden är relevanta. Därför är de tribologiska egenskaperna viktiga att förstå för produkter som lotioner (emulsioner), salvor, krämer, tandkrämer och till och med livsmedel.