Úvod
Tribologie se zabývá studiem tření, opotřebení a mazání v systémech se vzájemně se ovlivňujícími povrchy v pohybu. Je velmi zajímavá v potravinářství, kde se využívá k pochopení vztahu mezi strukturou potravin a jejich smyslovým vnímáním.
Tribologické měření je reprezentativní pro procesy probíhající při příjmu, žvýkání a polykání potravin, a umožňuje tak nahlédnout do pocitu v ústech [1]. Využívá tribosystém, jako je dvojice jazyk/patro mazaná směsí potravin a slin během zpracování v ústech [2]. V následujícím textu je zkoumán vliv velikosti částic v kakaových hmotách na jejich chování v měkkém, nízkotlakém tribologickém kontextu. Více informací o této aplikaci lze nalézt v [3].
Materiály a podmínky zkoušek
Ze stejné šarže kakaové hmoty byly připraveny tři vzorky, aby bylo zajištěno stejné složení. Každý vzorek byl rozemlet na horizontálním kulovém mlýně (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Objemový ekvivalentní průměr D90 každého vzorku byl stanoven pomocí laserového difrakčního přístroje Mastersizer 3000 pro měření velikosti částic (Malvern Panalytical). Tři připravené vzorky se lišily distribucí velikosti částic (D90): v případě vzorku hrubé kakaové hmoty byla velikost rozměru D90 33 μm, u vzorku medium 26 μm a u vzorku jemné kakaové hmoty 20 μm.
Tribologická měření byla provedena pomocí rotačního reometru Kinexus Prime ultra+ vybaveného kazetou s Peltierovou deskou s aktivním krytem a tribologickou kyvetou s kuličkou na třech kolících (NETZSCH Analyzing & Testing). Horní měřicí geometrie zahrnovala kuličku z borosilikátového skla o průměru 12,7 mm a jako dolní vzorky představující měkký ústní jazyk - trojúhelník byly použity silikonové uretanové elastomerové kolíky SIL 30 (Carbon Inc.). Kulička je přitlačena k čepům a vzdálenost mezi osou otáčení a kontaktem kuličky a čepu je R. Čepy jsou nakloněny pod úhlem 45° vzhledem k vodorovné rovině. Hřídel se otáčí definovanou úhlovou rychlostí, která odpovídá příslušné rychlosti klouzání na trojkontakt (viz obrázek 1 vlevo). Při tribologickém měření se zaznamenává točivý moment potřebný pro tento rotační pohyb.
Měření probíhala při teplotě 40 °C s normálovou silou 1 N. Program měření je podrobně popsán v tabulce 1 (viz také [1]).
Nezávisle na tribologických zkouškách byly na třech vzorcích provedeny také smykové viskozitní křivky. Nejsou zde uvedeny, ale lze je vidět v [1]. Ukazují, že při vyšších smykových rychlostech (> 3 s-1) je smyková viskozita nejvyšší u vzorku hrubé kakaové hmoty a nejnižší u vzorku jemné kakaové hmoty.
Tabulka 1: Parametry tribologických měření
| Fáze | Úhlová viskozita | |
|---|---|---|
| 1 | Záběh | 15 rad/s (10 min) |
| 2 | Držení | RelaxacePokud na pryžovou směs působí konstantní deformace, síla potřebná k udržení této deformace není konstantní, ale s časem klesá; toto chování se nazývá relaxace napětí. Proces odpovědný za relaxaci napětí může být fyzikální nebo chemický a za normálních podmínek probíhají oba současně. Relaxace (5 min) |
| 3 | Měření prodloužené Stribeckovy křivky | 5.10-6 až 100 rad/s |
| 4 | Měření Stribeckovy křivky | 100 až 5.10-6 rad/s |
Výsledky a diskuse
Na obrázku 2 jsou znázorněny rozšířené Stribeckovy křivky a Stribeckovy křivky vyplývající z tribologických měření na hrubé, medium a jemné kakaové hmotě.
Zvýšení tření pozorované při nejnižších rychlostech skluzu (prodloužená Stribeckova křivka) lze přičíst deformaci měkkého vzorku. Křivky všech tří vzorků se překrývají. To naznačuje, že tento jev nezávisí na velikosti částic a je naopak řízen vnitřními objemovými vlastnostmi měkkého vzorku. Lokální maximum tření lze pozorovat u vzorku jemné kakaové hmoty jak na rozšířené Stribeckově (obr. 2 vlevo), tak na Stribeckově křivce (obr. 2 vpravo). Možným důvodem tohoto chování je přilepení částic small mezi rotující kuličku a elastomer, což vede k efektivnímu zvýšení drsnosti povrchu, a tím i tření.
Vzorek jemné kakaové hmoty vykazuje nejvyšší mezní tření (obr. 3), zatímco u vzorků hrubé a medium kakaové hmoty se tento faktor výrazně neliší. Po překročení mezního tření se tření hrubého vzorku kakaové hmoty výrazně sníží. Jedním z možných vysvětlení tohoto chování je, že hrubé částice jsou příliš velké na to, aby se dostaly do prostoru mezi rotující skleněnou kuličku a elastomer, což má za následek nižší objemový podíl pevné látky v suspenzi. V důsledku toho je tření v místě tribo-kontaktu nižší.
Obrázek 4 (Stribeckovy křivky v rozsahu kluzných rychlostí v hydrodynamickém režimu) ukazuje, že tření v hydrodynamickém režimu je nejvyšší u hrubého vzorku kakaové hmoty a nejnižší u jemného vzorku kakaové hmoty. Čím větší je velikost částic, tím nižší je rychlost klouzání, při níž dochází k přechodu. To odpovídá vyšší smykové viskozitě hrubého vzorku při vyšších smykových rychlostech (viz [1]).
Závěr
Byly porovnány tribologické vlastnosti tří vzorků kakaové hmoty s různou distribucí velikosti částic. Byly zjištěny rozdíly v třecích vlastnostech, které mohou souviset s různými mazacími mechanismy. Další vysvětlení a navrhované mechanismy jsou popsány v [1].