Въведение
Трибологията е изследване на триенето, износването и смазването в системи с взаимодействащи си повърхности в движение. Тя представлява голям интерес в хранителната наука, където се използва за разбиране на връзката между структурата на храната и сетивното възприятие.
Трибологичното измерване е представително за процесите, протичащи по време на приема на храна, дъвченето и преглъщането, и по този начин дава представа за усещането в устата [1]. При него се използва трибосистема, като например двойката език/небце, смазвана от смеси от храна и слюнка по време на оралната обработка [2]. По-долу се изследва влиянието на размера на частиците в какаовите маси върху поведението им в мек трибологичен контекст при ниско налягане. Повече информация за това приложение може да се намери в [3].
Материали и условия за изпитване
Три проби бяха приготвени от една и съща партида какаова маса, за да се осигури еднакъв състав. Всяка проба беше смляна на хоризонтална топкова мелница (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Еквивалентният обемен диаметър D90 на всяка проба беше определен с лазерен дифракционен уред за определяне размера на частиците Mastersizer 3000 (Malvern Panalytical). Трите приготвени проби се различават по разпределението на размера на частиците (D90): 33 μm за пробата от груба какаова маса, 26 μm за пробата от какаова маса medium и 20 μm за пробата от фина какаова маса.
Трибологичните измервания бяха извършени с ротационен реометър Kinexus Prime ultra+, оборудван с касета с плочи на Пелтие с активен капак и трибологична клетка с топче на три щифта (NETZSCH Analyzing & Testing). Горната измервателна геометрия включваше топче от боросиликатно стъкло с диаметър 12,7 mm, а като долни образци бяха използвани щифтове от силиконово-уретанов еластомер SIL 30 (Carbon Inc.), представляващи меката двойка орален език - небце. Топчето е притиснато към щифтовете, а разстоянието между оста на въртене и контакта между топчето и щифта е R. Щифтовете са наклонени на 45° спрямо хоризонталата. Валът се върти с определена ъглова скорост, която съответства на съответната скорост на плъзгане при трибоконтакта (вж. фигура 1 вляво). Въртящият момент, необходим за това ротационно движение, се записва по време на трибологичното измерване.
Измерванията бяха извършени при 40°C с нормална сила от 1 N. Програмата за измерване е описана подробно в таблица 1 (вж. също [1]).
Независимо от трибологичните изпитвания, на трите образеца бяха направени и криви на срязване и вискозитет. Те не са представени тук, но могат да се видят в [1]. Те показват, че при по-високи скорости на срязване (> 3 s-1) вискозитетът на срязване е най-висок за пробата с груба какаова маса и най-нисък за пробата с фина какаова маса.
Таблица 1: Параметри на трибологичните измервания
| Фаза | Ъглов вискозитет | |
|---|---|---|
| 1 | Влизане в експлоатация | 15 rad/s (10 мин.) |
| 2 | Задържане | Релаксация (5 мин.) |
| 3 | Измерване на разширената крива на Стрибек | 5.10-6 до 100 rad/s |
| 4 | Измерване на кривата на Стрибек | 100 до 5.10-6 rad/s |
Резултати и обсъждане
На фигура 2 са представени разширените криви на Стрибек и кривите на Стрибек, получени в резултат на трибологичните измервания на грубата, medium и фината какаова маса.
Увеличението на триенето, наблюдавано при най-ниските скорости на плъзгане (разширена крива на Стрибек), може да се отдаде на деформацията на мекия образец. Кривите и на трите образеца се припокриват. Това предполага, че това явление не зависи от размера на частиците и вместо това се регулира от вътрешните обемни свойства на мекия образец. Локален максимум в триенето може да се види за пробата с фина какаова маса както в разширените криви на Стрибек (фигура 2 вляво), така и в кривите на Стрибек (фигура 2 вдясно). Потенциална причина за това поведение е залепването на частиците small между въртящата се топка и еластомера, което води до ефективно увеличаване на грапавостта на повърхността и по този начин на триенето.
Фината проба от какаова маса показва най-високо гранично триене (фигура 3), докато този фактор не се различава съществено за грубите и medium проби от какаова маса. След превишаване на граничното триене, триенето на пробата от груба какаова маса значително намалява. Едно от възможните обяснения за това поведение е, че едрите частици са твърде големи, за да навлязат в пространството между въртящата се стъклена топка и еластомера, което води до по-ниска обемна фракция на твърдото вещество в суспензията. Следователно триенето при трибоконтакта е по-ниско.
Фигура 4 (криви на Стрибек в диапазона на скоростта на плъзгане в хидродинамичния режим) показва, че триенето в хидродинамичния режим е най-високо за пробата от груба какаова маса и най-ниско за пробата от фина какаова маса. Колкото по-голям е размерът на частиците, толкова по-ниска е скоростта на плъзгане, при която се осъществява преходът. Това съответства на по-високия вискозитет на срязване на грубата проба при по-високи скорости на срязване (вж. [1]).
Заключение
Сравнени са трибологичните свойства на три проби от какаова маса с различно разпределение на размера на частиците. Бяха открити разлики в поведението при триене, които могат да бъдат свързани с различни смазочни механизми. Други обяснения и предложени механизми са описани в [1].