Johdanto
Tribologia tutkii kitkaa, kulumista ja voitelua järjestelmissä, joissa vuorovaikutteiset pinnat ovat liikkeessä. Se on erittäin kiinnostavaa elintarviketieteessä, jossa sitä käytetään elintarvikkeiden rakenteen ja aistihavainnon välisen suhteen ymmärtämiseen.
Tribologinen mittaus edustaa prosesseja, jotka tapahtuvat ruoan nauttimisen, pureskelun ja nielemisen aikana, ja antaa siten käsityksen suun tuntumasta [1]. Siinä käytetään tribosysteemiä, kuten kielen ja suulakihalkion muodostamaa paria, jota ruoka-syljen seokset voitelevat suun käsittelyn aikana [2]. Seuraavassa tutkitaan kaakaomassojen hiukkaskoon vaikutusta niiden käyttäytymiseen pehmeässä, matalapaineisessa tribologisessa kontekstissa. Lisätietoa tästä sovelluksesta on saatavissa [3].
Materiaalit ja testausolosuhteet
Samasta kaakaomassaerästä valmistettiin kolme näytettä saman koostumuksen varmistamiseksi. Kukin näyte jauhettiin vaakasuorassa kuulamyllyssä (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Kunkin näytteen D90-tilavuusekvivalentti halkaisija määritettiin Mastersizer 3000 -laserdiffraktiohiukkaskokolaitteella (Malvern Panalytical). Kolmen valmistetun näytteen hiukkaskokojakauma (D90) erosi toisistaan: 33 μm karkean kaakaomassanäytteen osalta, 26 μm medium kaakaomassanäytteen osalta ja 20 μm hienon kaakaomassanäytteen osalta.
Tribologiset mittaukset suoritettiin Kinexus Prime ultra+ -rotaatioreometrillä, joka oli varustettu aktiivisella hupulla varustetulla Peltier-levypatruunalla ja pallo-on-kolme-nasta-tribologiakennolla (NETZSCH Analyzing & Testing). Ylempi mittausgeometria sisälsi halkaisijaltaan 12,7 mm:n kokoisen borosilikaattilasipallon, ja alempina näytteinä käytettiin SIL 30 silikoniuretaanielastomeeritappeja (Carbon Inc.), jotka edustivat pehmeää suun kielen ja suulakihalkion triboparia. Pallo painetaan nastoja vasten, ja kiertoakselin ja pallon ja nastan kosketuksen välinen etäisyys on R. Nastat on kallistettu 45° vaakatasoon nähden. Akseli pyörii määritellyllä kulmanopeudella, joka vastaa vastaavaa liukunopeutta tribokontaktissa (ks. kuva 1 vasemmalla). Tähän pyörimisliikkeeseen tarvittava vääntömomentti kirjataan tribologisen mittauksen aikana.
Mittaukset suoritettiin 40 °C:n lämpötilassa, kun normaalivoima oli 1 N. Mittausohjelma on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 1 (ks. myös [1]).
Tribologisista testeistä riippumatta kolmelle näytteelle suoritettiin myös leikkausviskositeettikäyrät. Niitä ei esitetä tässä, mutta ne ovat nähtävissä [1]. Niistä käy ilmi, että suuremmilla leikkausnopeuksilla (> 3 s-1) leikkausviskositeetti on suurin karkean kaakaomassan näytteellä ja pienin hienon kaakaomassan näytteellä.
Taulukko 1: Tribologisten mittausten parametrit
| Vaihe | Kulma Viskositeetti | |
|---|---|---|
| 1 | Sisäänajo | 15 rad/s (10 min) |
| 2 | Pitäminen | RentoutuminenKun kumiseokseen kohdistetaan vakiojännitys, jännityksen ylläpitämiseen tarvittava voima ei ole vakio, vaan se pienenee ajan myötä; tätä käyttäytymistä kutsutaan jännityksen relaksaatioksi. Jännityksen relaksaatiosta vastaava prosessi voi olla fysikaalinen tai kemiallinen, ja normaaliolosuhteissa molemmat tapahtuvat samanaikaisesti. Rentoutuminen (5 min) |
| 3 | Laajennetun Stribeck-käyrän mittaus | 5.10-6-100 rad/s |
| 4 | Stribeck-käyrän mittaus | 100-5,10-6 rad/s |
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 2 esitetään laajennetut Stribeckin käyrät ja Stribeckin käyrät, jotka ovat tulosta karkean, medium ja hienon kaakaomassan tribologisista mittauksista.
Pienimmillä liukunopeuksilla havaittu kitkan kasvu (pidennetty Stribeckin käyrä) johtuu pehmeän näytteen muodonmuutoksesta. Kaikkien kolmen näytteen käyrät ovat päällekkäisiä. Tämä viittaa siihen, että tämä ilmiö on riippumaton hiukkaskoosta ja että sitä säätelevät sen sijaan pehmeän näytteen luontaiset bulkkiominaisuudet. Hienojakoisessa kaakaomassanäytteessä voidaan nähdä kitkan paikallinen maksimi sekä laajennetuissa Stribeck- (kuva 2 vasemmalla) että Stribeck-käyrissä (kuva 2 oikealla). Mahdollinen syy tähän käyttäytymiseen on small hiukkasten tarttuminen pyörivän pallon ja elastomeerin väliin, mikä johtaa pinnan karheuden ja siten kitkan tosiasialliseen kasvuun.
Hienojakoisella kaakaomassanäytteellä on suurin rajakitka (kuva 3), kun taas karkean ja medium kaakaomassanäytteiden välillä ei ole merkittävää eroa. Kun rajakitka ylittyy, karkean kaakaomassanäytteen kitka pienenee merkittävästi. Yksi mahdollinen selitys tälle käyttäytymiselle on, että karkeat hiukkaset ovat liian suuria päästäkseen pyörivän lasikuulan ja elastomeerin väliseen tilaan, mikä johtaa suspensiossa pienempään kiinteän aineen tilavuusosuuteen. Näin ollen kitka tribokosketuksessa on pienempi.
Kuvasta 4 (Stribeckin käyrät hydrodynaamisen järjestelmän liukunopeusalueella) käy ilmi, että kitka hydrodynaamisessa järjestelmässä on suurin karkean kaakaomassanäytteen kohdalla ja pienin hienon kaakaomassanäytteen kohdalla. Mitä suurempi hiukkaskoko on, sitä alhaisemmalla liukunopeudella siirtymä tapahtuu. Tämä vastaa karkean näytteen suurempaa leikkausviskositeettia suuremmilla leikkausnopeuksilla (ks. [1]).
Päätelmä
Kolmen eri partikkelikokojakaumalla varustetun kaakaomassanäytteen tribologisia ominaisuuksia verrattiin. Kitkakäyttäytymisessä havaittiin eroja, jotka voivat liittyä erilaisiin voitelumekanismeihin. Muita selityksiä ja ehdotettuja mekanismeja kuvataan [1].