Εισαγωγή
Η τριβολογία είναι η μελέτη της τριβής, της φθοράς και της λίπανσης σε συστήματα με αλληλεπιδρώσες επιφάνειες σε κίνηση. Παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον στην επιστήμη των τροφίμων, όπου χρησιμοποιείται για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ της δομής των τροφίμων και της αισθητηριακής αντίληψης.
Μια τριβολογική μέτρηση είναι αντιπροσωπευτική των διεργασιών που εμπλέκονται κατά την πρόσληψη τροφής, τη μάσηση και την κατάποση, και έτσι δίνει πληροφορίες για την αίσθηση του στόματος [1]. Χρησιμοποιεί ένα τριβοσύστημα, όπως το ζεύγος γλώσσας/πετσούλας που λιπαίνεται από μείγματα τροφίμων-σάλιου κατά τη διάρκεια της στοματικής επεξεργασίας [2]. Στη συνέχεια, διερευνάται η επίδραση του μεγέθους των σωματιδίων στις μάζες κακάο στη συμπεριφορά τους σε μαλακό, χαμηλής πίεσης τριβολογικό πλαίσιο. Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με αυτή την εφαρμογή βρίσκονται στο [3].
Υλικά και συνθήκες δοκιμών
Τρία δείγματα παρασκευάστηκαν από την ίδια παρτίδα μάζας κακάο για να εξασφαλιστεί η ίδια σύνθεση. Κάθε δείγμα αλέστηκε σε οριζόντιο σφαιρόμυλο (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Η ισοδύναμη διάμετρος όγκου D90 κάθε δείγματος προσδιορίστηκε με ένα όργανο μέτρησης μεγέθους σωματιδίων περίθλασης λέιζερ Mastersizer 3000 (Malvern Panalytical). Τα τρία δείγματα που παρασκευάστηκαν διέφεραν ως προς την κατανομή μεγέθους των σωματιδίων τους (D90): 33 μm για το χονδρόκοκκο δείγμα μάζας κακάο, 26 μm για το δείγμα medium μάζας κακάο και 20 μm για το λεπτόκοκκο δείγμα μάζας κακάο.
Οι τριβολογικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με ένα ραιόμετρο περιστροφής Kinexus Prime ultra+ εξοπλισμένο με φυσίγγιο πλάκας Peltier με ενεργό κουκούλι και τριβολογική κυψέλη ball-on-three-pins (NETZSCH Analyzing & Testing). Η ανώτερη γεωμετρία μέτρησης περιελάμβανε μια σφαίρα από βοριοπυριτικό γυαλί διαμέτρου 12,7 mm, ενώ ως κατώτερα δείγματα χρησιμοποιήθηκαν ακίδες από ελαστομερές ουρεθάνιο σιλικόνης SIL 30 (Carbon Inc.), οι οποίες αντιπροσώπευαν το τρίγωνο ζεύγος μαλακής γλώσσας στόματος-δακτύλου. Η σφαίρα πιέζεται στις ακίδες και η απόσταση μεταξύ του άξονα περιστροφής και της επαφής σφαίρας-ακίδας είναι R. Οι ακίδες έχουν κλίση 45° σε σχέση με την οριζόντια. Ο άξονας περιστρέφεται με μια καθορισμένη γωνιακή ταχύτητα που αντιστοιχεί στην αντίστοιχη ταχύτητα ολίσθησης στην επαφή τριβόλων (βλέπε σχήμα 1 αριστερά). Η ροπή που απαιτείται για αυτή την περιστροφική κίνηση καταγράφεται κατά τη διάρκεια της τριβολογικής μέτρησης.
Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στους 40°C με κανονική δύναμη 1 N. Το πρόγραμμα μετρήσεων περιγράφεται λεπτομερώς στον πίνακα 1 (βλέπε επίσης [1]).
Ανεξάρτητα από τις τριβολογικές δοκιμές, πραγματοποιήθηκαν επίσης καμπύλες διατμητικού ιξώδους στα τρία δείγματα. Δεν παρουσιάζονται εδώ, αλλά είναι διαθέσιμες στο [1]. Δείχνουν ότι σε υψηλότερους ρυθμούς διάτμησης (> 3 s-1), το ιξώδες διάτμησης είναι υψηλότερο για το δείγμα της χονδροειδούς μάζας κακάο και χαμηλότερο για τη λεπτή μάζα κακάο.
Πίνακας 1: Παράμετροι των τριβολογικών μετρήσεων
| Φάση | Γωνιακό ιξώδες | |
|---|---|---|
| 1 | Τρέξιμο σε | 15 rad/s (10 λεπτά) |
| 2 | Συγκράτηση | Χαλάρωση (5 λεπτά) |
| 3 | Εκτεταμένη μέτρηση καμπύλης Stribeck | 5.10-6 έως 100 rad/s |
| 4 | Μέτρηση καμπύλης Stribeck | 100 έως 5,10-6 rad/s |
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 2 απεικονίζονται οι εκτεταμένες καμπύλες Stribeck και οι καμπύλες Stribeck που προκύπτουν από τις τριβολογικές μετρήσεις στις χονδροειδείς, medium και λεπτές μάζες κακάο.
Η αύξηση της τριβής που παρατηρείται στις χαμηλότερες ταχύτητες ολίσθησης (εκτεταμένη καμπύλη Stribeck) μπορεί να αποδοθεί στην παραμόρφωση του μαλακού δοκιμίου. Οι καμπύλες και των τριών δοκιμίων επικαλύπτονται. Αυτό υποδηλώνει ότι το φαινόμενο αυτό είναι ανεξάρτητο από το μέγεθος των σωματιδίων και, αντίθετα, διέπεται από τις εγγενείς ιδιότητες όγκου του μαλακού δείγματος. Ένα τοπικό μέγιστο στην τριβή μπορεί να παρατηρηθεί για το δείγμα με λεπτή μάζα κακάο τόσο στις εκτεταμένες καμπύλες Stribeck (σχήμα 2 αριστερά) όσο και στις καμπύλες Stribeck (σχήμα 2 δεξιά). Μια πιθανή αιτία για αυτή τη συμπεριφορά είναι η προσκόλληση των σωματιδίων small μεταξύ της περιστρεφόμενης σφαίρας και του ελαστομερούς, που οδηγεί σε μια πραγματική αύξηση της επιφανειακής τραχύτητας και συνεπώς της τριβής.
Το δείγμα λεπτόκοκκης μάζας κακάο παρουσιάζει την υψηλότερη οριακή τριβή (σχήμα 3), ενώ ο παράγοντας αυτός δεν διαφέρει σημαντικά για τα δείγματα χονδρόκοκκης και medium μάζας κακάο. Μετά την υπέρβαση της οριακής τριβής, η τριβή του χονδροειδούς δείγματος μάζας κακάο μειώνεται σημαντικά. Μια πιθανή εξήγηση για αυτή τη συμπεριφορά είναι ότι τα χονδροειδή σωματίδια είναι πολύ μεγάλα για να εισέλθουν στο χώρο μεταξύ της περιστρεφόμενης γυάλινης σφαίρας και του ελαστομερούς, με αποτέλεσμα να μειώνεται το κλάσμα στερεού όγκου του εναιωρήματος. Κατά συνέπεια, η τριβή στην τριβοεπαφή είναι χαμηλότερη.
Το Σχήμα 4 (καμπύλες Stribeck στην περιοχή ταχυτήτων ολίσθησης του υδροδυναμικού καθεστώτος) δείχνει ότι η τριβή στο υδροδυναμικό καθεστώς είναι υψηλότερη για το δείγμα χονδρόκοκκης μάζας κακάο και χαμηλότερη για το δείγμα λεπτόκοκκης μάζας κακάο. Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος των σωματιδίων, τόσο χαμηλότερη είναι η ταχύτητα ολίσθησης στην οποία πραγματοποιείται η μετάβαση. Αυτό συμφωνεί με το υψηλότερο ιξώδες διάτμησης του χονδρόκοκκου δείγματος σε υψηλότερες ταχύτητες διάτμησης (βλέπε [1]).
Συμπέρασμα
Συγκρίθηκαν οι τριβολογικές ιδιότητες τριών δειγμάτων μάζας κακάο με διαφορετική κατανομή μεγέθους σωματιδίων. Εντοπίστηκαν διαφορές στη συμπεριφορά τριβής που μπορούν να συσχετιστούν με διαφορετικούς μηχανισμούς λίπανσης. Άλλες εξηγήσεις και προτεινόμενοι μηχανισμοί περιγράφονται στο [1].