Introduktion
Tribologi er studiet af friktion, slid og smøring i systemer med interagerende overflader i bevægelse. Det er af stor interesse inden for fødevarevidenskab, hvor det bruges til at forstå forholdet mellem fødevarestruktur og sensorisk opfattelse.
En tribologisk måling er repræsentativ for de processer, der er involveret under fødeindtagelse, mastikation og synkning, og giver dermed indsigt i mundfølelsen [1]. Den bruger et tribosystem, som f.eks. tunge/gane-parret, der smøres af mad-spyt-blandinger under den orale behandling [2]. I det følgende undersøges indflydelsen af partikelstørrelsen i kakaomasser på deres opførsel i en blød, lavtryks-tribologisk sammenhæng. Mere information om denne applikation findes i [3].
Materialer og testbetingelser
Der blev fremstillet tre prøver fra samme parti kakaomasse for at sikre samme sammensætning. Hver prøve blev malet på en vandret kuglemølle (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Den volumenækvivalente D90-diameter for hver prøve blev bestemt med et Mastersizer 3000 laserdiffraktions-partikelstørrelsesinstrument (Malvern Panalytical). De tre forberedte prøver var forskellige i deres partikelstørrelsesfordeling (D90): 33 μm for den grove kakaomasseprøve, 26 μm for medium kakaomasseprøven og 20 μm for den fine kakaomasseprøve.
Tribologiske målinger blev udført med et Kinexus Prime ultra+ rotationsreometer udstyret med en Peltier-pladepatron med aktiv hætte og en tribologicelle med kugle på tre stifter (NETZSCH Analyzing & Testing). Den øverste målegeometri omfattede en kugle af borosilikatglas med en diameter på 12,7 mm, og SIL 30 silikoneurethan-elastomerstifter (Carbon Inc.) blev brugt som nederste prøver, der repræsenterede det bløde orale tunge-gane-tribo-par. Kuglen presses mod stifterne, og afstanden mellem rotationsaksen og kontakten mellem kugle og stift er R. Stifterne hælder 45° i forhold til vandret. Akslen roterer med en defineret vinkelhastighed, der svarer til den respektive glidehastighed ved tribo-kontakten (se figur 1 til venstre). Det drejningsmoment, der kræves til denne rotationsbevægelse, registreres under den tribologiske måling.
Målingerne blev udført ved 40 °C med en normalkraft på 1 N. Måleprogrammet er beskrevet i tabel 1 (se også [1]).
Uafhængigt af den tribologiske testning blev der også udført forskydningsviskositetskurver på de tre prøver. De præsenteres ikke her, men kan ses i [1]. De viser, at ved højere forskydningshastigheder (> 3 s-1) er forskydningsviskositeten højest for den grove kakaomasseprøve og lavest for den fine kakaomasse.
Tabel 1: Parametre for de tribologiske målinger
| Fase | Vinkel Viskositet | |
|---|---|---|
| 1 | Indkøring | 15 rad/s (10 min) |
| 2 | Fastholdelse | AfslapningNår en gummiblanding udsættes for en konstant belastning, er den kraft, der er nødvendig for at opretholde belastningen, ikke konstant, men aftager med tiden; denne adfærd kaldes spændingsaflastning. Den proces, der er ansvarlig for spændingsaflastning, kan være fysisk eller kemisk, og under normale forhold vil begge dele forekomme på samme tid. Afslapning (5 min) |
| 3 | Måling af udvidet Stribeck-kurve | 5.10-6 til 100 rad/s |
| 4 | Måling af Stribeck-kurve | 100 til 5.10-6 rad/s |
Resultater og diskussion
Figur 2 viser de udvidede Stribeck-kurver og Stribeck-kurverne fra de tribologiske målinger på de grove, medium og fine kakaomasser.
Den øgede friktion, der observeres ved de laveste glidehastigheder (udvidet Stribeck-kurve), kan tilskrives deformationen af den bløde prøve. Kurverne for alle tre prøver overlapper hinanden. Det tyder på, at dette fænomen er uafhængigt af partikelstørrelsen og i stedet styres af den bløde prøves iboende bulk-egenskaber. Et lokalt maksimum i friktion kan ses for prøven med fin kakaomasse i både udvidede Stribeck- (figur 2 til venstre) og Stribeck-kurver (figur 2 til højre). En mulig årsag til denne adfærd er, at small -partiklerne klæber fast mellem den roterende kugle og elastomeren, hvilket fører til en effektiv forøgelse af overfladeruheden og dermed af friktionen.
Den fine kakaomasseprøve udviser den højeste grænsefriktion (figur 3), mens denne faktor ikke er væsentligt forskellig for de grove og medium kakaomasseprøver. Når den begrænsende friktion er overskredet, reduceres friktionen i den grove kakaomasseprøve betydeligt. En mulig forklaring på denne adfærd er, at de grove partikler er for store til at komme ind i rummet mellem den roterende glaskugle og elastomeren, hvilket resulterer i en lavere fast volumenfraktion af suspensionen. Følgelig er friktionen ved tribo-kontakten lavere.
Figur 4 (Stribeck-kurver i det hydrodynamiske regimes glidehastighedsområde) viser, at friktionen i det hydrodynamiske regime er højest for den grove kakaomasseprøve og lavest for den fine kakaomasseprøve. Jo højere partikelstørrelsen er, desto lavere er den glidehastighed, hvor overgangen finder sted. Dette stemmer overens med den grove prøves højere forskydningsviskositet ved højere forskydningshastigheder (se [1]).
Konklusion
De tribologiske egenskaber af tre kakaomasseprøver med forskellig partikelstørrelsesfordeling blev sammenlignet. Der blev fundet forskelle i friktionsadfærden, som kan relateres til forskellige smøremekanismer. Andre forklaringer og foreslåede mekanismer er beskrevet i [1].