Introducción
La tribología es el estudio de la fricción, el desgaste y la lubricación en sistemas con superficies interactivas en movimiento. Es de gran interés en la ciencia alimentaria, donde se utiliza para comprender la relación entre la estructura de los alimentos y la percepción sensorial.
Una medición tribológica es representativa de los procesos que tienen lugar durante la ingesta, la masticación y la deglución de los alimentos, por lo que permite comprender la sensación en boca [1]. Utiliza un tribosistema, como el par lengua-paladar lubricado por mezclas de alimentos y saliva durante el procesamiento oral [2]. A continuación se investiga la influencia del tamaño de las partículas de las masas de cacao en su comportamiento en un contexto tribológico blando y de baja presión. Encontrará más información sobre esta aplicación en [3].
Materiales y condiciones de ensayo
Se prepararon tres muestras a partir del mismo lote de pasta de cacao para garantizar la misma composición. Cada muestra se molió en un molino de bolas horizontal (NETZSCH Grinding & Dispersing).
El diámetro equivalente en volumen D90 de cada muestra se determinó con un instrumento de tamaño de partículas por difracción láser Mastersizer 3000 (Malvern Panalytical). Las tres muestras preparadas diferían en su distribución granulométrica (D90): 33 μm para la muestra de pasta de cacao gruesa, 26 μm para la muestra de pasta de cacao medium y 20 μm para la muestra de pasta de cacao fina.
Las mediciones tribológicas se realizaron con un reómetro rotacional Kinexus Prime ultra+ equipado con un cartucho de placa Peltier con campana activa y una célula tribológica de bola sobre tres clavijas (NETZSCH Analyzing & Testing). La geometría de medición superior incluía una bola de vidrio de borosilicato de 12,7 mm de diámetro, y como especímenes inferiores se utilizaron clavijas de elastómero de uretano de silicona SIL 30 (Carbon Inc.) que representaban el tribo-par lengua-paladar oral blando. La bola se presiona contra los pivotes y la distancia entre el eje de rotación y el contacto bola-pivote es R. Los pivotes están inclinados 45° con respecto a la horizontal. El eje gira con una velocidad angular definida que corresponde a la velocidad de deslizamiento respectiva en el contacto tribo (véase la figura 1 a la izquierda). El par necesario para este movimiento de rotación se registra durante la medición tribológica.
Las mediciones se realizaron a 40°C con una fuerza normal de 1 N. El programa de medición se detalla en la tabla 1 (véase también [1]).
Independientemente de las pruebas tribológicas, también se realizaron curvas de cizallamiento-viscosidad en las tres muestras. No se presentan aquí, pero pueden verse en [1]. Muestran que a velocidades de cizallamiento más elevadas (> 3 s-1), la viscosidad de cizallamiento es mayor en la muestra de pasta de cacao gruesa y menor en la de pasta de cacao fina.
Tabla 1: Parámetros de las mediciones tribológicas
| Fase | Angular Viscosidad | |
|---|---|---|
| 1 | Rodaje | 15 rad/s (10 min) |
| 2 | Mantenimiento | RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. Relajación (5 min) |
| 3 | Medición de la curva Stribeck ampliada | 5.10-6 a 100 rad/s |
| 4 | Medición de la curva de Stribeck | 100 a 5,10-6 rad/s |
Resultados y debate
La figura 2 representa las curvas de Stribeck ampliadas y las curvas de Stribeck resultantes de las mediciones tribológicas en las masas de cacao gruesas, medium y finas.
El aumento de la fricción observado a las velocidades de deslizamiento más bajas (curva de Stribeck ampliada) puede atribuirse a la deformación de la probeta blanda. Las curvas de las tres muestras se solapan. Esto sugiere que este fenómeno es independiente del tamaño de las partículas y se rige por las propiedades intrínsecas de la muestra blanda. En la muestra de pasta de cacao fina se observa un máximo local de fricción tanto en las curvas de Stribeck extendidas (figura 2, izquierda) como en las de Stribeck (figura 2, derecha). Una posible razón de este comportamiento es la adherencia de las partículas de small entre la bola giratoria y el elastómero, lo que provoca un aumento efectivo de la rugosidad de la superficie y, por tanto, de la fricción.
La muestra de pasta de cacao fina presenta la fricción límite más elevada (figura 3), mientras que este factor no es significativamente diferente para las muestras de pasta de cacao gruesa y medium. Una vez superada la fricción límite, la fricción de la muestra de pasta de cacao gruesa se reduce significativamente. Una posible explicación de este comportamiento es que las partículas gruesas son demasiado grandes para entrar en el espacio entre la bola de vidrio giratoria y el elastómero, lo que da lugar a una menor fracción de volumen sólido de la suspensión. En consecuencia, la fricción en el tribo-contacto es menor.
La figura 4 (curvas de Stribeck en el intervalo de velocidades de deslizamiento del régimen hidrodinámico) indica que la fricción en el régimen hidrodinámico es mayor para la muestra de pasta de cacao gruesa y menor para la muestra de pasta de cacao fina. Cuanto mayor es el tamaño de las partículas, menor es la velocidad de deslizamiento a la que se produce la transición. Esto concuerda con la mayor viscosidad de cizallamiento de la muestra gruesa a velocidades de cizallamiento más elevadas (véase [1]).
Conclusión
Se compararon las propiedades tribológicas de tres muestras de pasta de cacao con diferente distribución del tamaño de las partículas. Se detectaron diferencias en el comportamiento friccional que pueden relacionarse con diferentes mecanismos de lubricación. Otras explicaciones y mecanismos sugeridos se describen en [1].