Giriş
Triboloji (özellikle biyo-triboloji) alanı, sunabileceği çok çeşitli potansiyel bilgiler nedeniyle son yıllarda Hızlı Tüketim Malları sektöründe daha fazla ilgi görmektedir [1]. Son zamanlarda yapılan çalışmalar, tribolojik ölçümlerin kişisel bakım ürünlerinin tüketici algısı açısından önemini ve uygunluğunu göstermiştir [2] ve tribologların bir dizi yağlama rejimini iyi bir doğruluk ve hassasiyetle ölçecek araçlara sahip olması kritik önem taşımaktadır.
Bu Uygulama Notu, kişisel bakım ürünlerinde yaygın olarak kullanılan su-gliserol çözeltilerinin tribolojik testlerine ilişkin bir çalışmayı özetlemektedir.
Triboloji Hücre Konfigürasyonu
Konfigürasyon, kolay montaj için düz bir plaka geometrisine bir yapıştırıcı kullanılarak tutturulmuş 3-Bilyalı Triboloji Üst Geometrisi (bilye orta nokta yarıçapı = merkezden 11,25 mm) ve 3D baskılı kaptan (bkz. Şekil 1 ve 2) oluşuyordu. 3D baskılı kap, temas yüzeylerinin tam daldırma altında olmasını sağlar, bu da a) zayıf kaplanmış yüzeyler için potansiyel artefaktları ortadan kaldırma ve b) tribolojinin önemli olduğu ağız gibi gerçek dünya ortamlarını (örneğin, gıda ve diş macunu için) daha iyi taklit etme avantajlarına sahiptir. Ölçümler laboratuvar sıcaklığında (20°C) gerçekleştirilmiştir.
Alt geometri, alt yüzeylerin kolayca değiştirilebilmesini sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Alt yüzey malzemesi bir silikon elastomerdir (Silikon Elastomer tipi: vmq, SAMCO), bir tabaka malzemeden delinmiş ve kullanımdan önce izopropanol ile temizlenmiştir. Her ölçüm için yeni bir yüzey kullanılmıştır. Bu malzeme tekrarlanabilir numuneler üretmeye elverişlidir ve önceki araştırmalarda ağız yüzeyi analoğu olarak kullanıldığı için seçilmiştir.
Üç bilyeli bağlantı, sabit durum ölçümü sırasında döngüsel yüzey teması sağlama avantajına sahiptir. Bu, malzemenin temaslar arasında eşit olmayan bir şekilde taşındığı ve sıkıştırıldığı dermatolojik bir kremin cilde sürülmesi gibi kişisel bakımda yaşanan senaryoların daha 'gerçekçi' bir şekilde simüle edilmesini sağlar. Yine de bu durum, başlangıçtaki düşük kayma hızı ölçümleri sırasında akma gerilimi olanlar gibi malzemelerin tutarlı bir şekilde yayılması zorsa ölçüm tekrarlanabilirliğinin zayıf olmasına neden olabilir.
1-Bilyalıya Karşı 3-Bilyalı Triboloji Hücresi
Tek bilyeli triboloji hücresi, bazı kişisel bakım uygulamalarının simülasyonu için makul bir seçimdir, ancak bu tasarımın doğası gereği, malzemenin radyal ve teğetsel hareketini yasaklar, sadece teğetsel dağılıma neden olur, bu da marjinal olarak daha az gerçekçidir. Tek bilyeli triboloji hücresi, ölçüm artefaktlarının en aza indirilmesinin uygulama simülasyonuna tercih edildiği çok modelli sistemler için çok uygun olacaktır.
Ölçüm Koşulları
Testler, yağlama malzemesinin sürekli olarak değiştirilmesine izin vermek ve merkezkaç kuvveti nedeniyle ince bir yağlayıcı tabakasının yüksek hızda yüzeyden çıkarılma olasılığını azaltmak için 3 bilyeli geometride yaklaşık 3/4 dolum seviyesi (~25 g) ile gerçekleştirilmiştir.
Sonuçlar ve Tartışma
Sürtünme Katsayısı (CoF) ve (doğrusal) kayma hızını (U) mm/s cinsinden açıklamak için aşağıdaki hesaplamalar yapılmıştır.
burada Γ Tork, R bilye orta noktasına olan yarıçap (11,25 mm) ve FN normal kuvvettir.
U= ωR
burada ω rad/s cinsinden açısal hızdır.
Gösterilen verilerin çoğu geleneksel yağlama davranışı ile iyi bir uyum içindedir (bkz. Şekil 3 ve 4). Düşük kayma hızlarında, toplam yüzey temas rejimini gösteren kayma hızı bağımsızlığı mevcuttur. Artan kayma hızlarında CoF azalır, bu da kısmi yüzey(ler) asperity teması ve yağlamanın olduğu karma rejimin göstergesidir. Son olarak, tam yüzey ayrımının sağlandığı ve tribolojik özelliklerin ağırlıklı olarak viskozite olmak üzere yağlayıcının yığın reolojisi tarafından belirlendiği hidrodinamik yağlama rejiminin göstergesi olarak CoF'de bir artış gözlenir. CoF değerleri makul aralıklardadır, yüksek viskoziteli yağlayıcılara sahip iyi yağlama sistemlerinde bile 1'in üzerindeki değerler mümkündür.
Artan gliserol konsantrasyonu ile düşük kayma hızlarında CoF'de bir artış olur ve bu artış gliserol içeriği % 100 w/w olduğunda hemen tersine döner. Buna ek olarak, artan gliserol konsantrasyonu ile hidrodinamik rejimin başlangıcı daha düşük kayma hızlarına kayar ve bu nedenle daha iyi yağlayıcılardır. 100 w/w gliserol dışındaki tüm çözeltiler için CoF değerleri yüksek kayma hızlarında benzerdir.
Viskozite ve yüzey-yüzey etkileşimi etkilerini birbirinden ayırmak için veriler viskoziteye göre düzeltilmiş kayma hızı çarpımı ηU olarak çizilebilir.
Tablo 1: Farklı su-gliserol çözeltilerinin kararlı durum görünür viskozitesi
| H2O: Gliserol Oranı | Ortalama Viskozite (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 |
Farklı çözeltiler, yüksek kayma hızlarında ortaya çıkan belirgin sapma ile kısmen bir ana eğri üzerine çöker; bu, numuneler arasındaki farkların bir large kısmının çözelti viskozitesine atfedilebileceğini gösterebilir. Daha viskoz çözeltiler daha yüksek normal yükleri destekleyebilir, düşük viskoziteli çözeltiler yüzeyler arasından kolayca reddedilebilir, bu da yüzey temasına ve daha yüksek bir CoF'ye yol açar.
Viskoziteye göre düzeltilmiş grafiklerde gösterilen yüksek kayma hızlarındaki değişim, tork okumalarında daha önemli değişikliklere neden olan yığın viskozitesindeki farklılıklara bağlı olabilir.
Sonuçlar
3 bilyeli Triboloji geometrisi, farklı Newton çözeltileri arasında makul bir doğruluk derecesiyle ayrım yapabilir. Daha yüksek gliserol içeriğinin, paslanmaz çelik-silikon elastomer teması için daha düşük kayma hızlarında daha iyi kayganlık sağladığı görülmektedir.
Bu sonuçlar, ağızda bıraktığı his veya ciltteki ürün algısı gibi faktörlerin önemli olduğu gıda ve kişisel bakım endüstrisinde formülasyonun önemini göstermektedir. Bu nedenle, losyonlar (emülsiyonlar), merhemler, kremler, diş macunları ve hatta gıdalar gibi ürünler için tribolojik özelliklerin anlaşılması önemlidir.