Introduction
La tribologie est l'étude du frottement, de l'usure et de la lubrification dans les systèmes comportant des surfaces interactives en mouvement. Elle présente un grand intérêt pour la science alimentaire, où elle est utilisée pour comprendre la relation entre la structure des aliments et la perception sensorielle.
Une mesure tribologique est représentative des processus impliqués dans la prise alimentaire, la mastication et la déglutition, et donne ainsi un aperçu de la sensation en bouche [1]. Elle utilise un tribosystème, tel que le couple langue/palais lubrifié par les mélanges d'aliments et de salive au cours du traitement oral [2]. Dans ce qui suit, l'influence de la taille des particules dans les masses de cacao sur leur comportement dans un contexte tribologique doux et à basse pression est étudiée. De plus amples informations sur cette application sont disponibles dans [3].
Matériaux et conditions d'essai
Trois échantillons ont été préparés à partir du même lot de masse de cacao afin de garantir la même composition. Chaque échantillon a été broyé sur un broyeur à billes horizontal (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Le diamètre équivalent au volume D90 de chaque échantillon a été déterminé à l'aide d'un granulomètre à diffraction laser Mastersizer 3000 (Malvern Panalytical). Les trois échantillons préparés différaient par leur distribution granulométrique (D90) : 33 μm pour l'échantillon de masse de cacao grossière, 26 μm pour l'échantillon de masse de cacao medium et 20 μm pour l'échantillon de masse de cacao fine.
Les mesures tribologiques ont été effectuées avec un rhéomètre rotatif Kinexus Prime ultra+ équipé d'une cartouche à plaque Peltier avec capot actif et d'une cellule tribologique à bille sur trois goupilles (NETZSCH Analyzing & Testing). La géométrie de mesure supérieure comprenait une bille en verre borosilicaté de 12,7 mm de diamètre, et des broches en élastomère silicone-uréthane SIL 30 (Carbon Inc.) ont été utilisées comme échantillons inférieurs représentant la paire tribo-langue-palais de la bouche molle. La bille est pressée contre les broches et la distance entre l'axe de rotation et le contact bille-broche est R. Les broches sont inclinées à 45° par rapport à l'horizontale. L'arbre tourne avec une vitesse angulaire définie qui correspond à la vitesse de glissement au niveau du contact tribo (voir figure 1 à gauche). Le couple nécessaire à ce mouvement de rotation est enregistré pendant la mesure tribologique.
Les mesures ont été effectuées à 40°C avec une force normale de 1 N. Le programme de mesure est détaillé dans le tableau 1 (voir aussi [1]).
Indépendamment des essais tribologiques, des courbes de viscosité en cisaillement ont également été réalisées sur les trois échantillons. Elles ne sont pas présentées ici, mais peuvent être consultées dans [1]. Elles montrent qu'à des taux de cisaillement plus élevés (> 3 s-1), la viscosité de cisaillement est la plus élevée pour l'échantillon de pâte de cacao grossière et la plus faible pour la pâte de cacao fine.
Tableau 1 : Paramètres des mesures tribologiques
| Phase | Viscosité angulaire | |
|---|---|---|
| 1 | Rodage | 15 rad/s (10 min) |
| 2 | Maintien | DétenteLorsqu'une contrainte constante est appliquée à un composé de caoutchouc, la force nécessaire pour maintenir cette contrainte n'est pas constante mais diminue avec le temps ; ce comportement est connu sous le nom de relaxation de contrainte. Le processus responsable de la relaxation des contraintes peut être physique ou chimique et, dans des conditions normales, les deux se produisent en même temps. Détente (5 min) |
| 3 | Mesure de la courbe de Stribeck étendue | 5.10-6 à 100 rad/s |
| 4 | Mesure de la courbe de Stribeck | 100 à 5.10-6 rad/s |
Résultats et discussion
La figure 2 illustre les courbes de Stribeck étendues et les courbes de Stribeck résultant des mesures tribologiques sur les masses de cacao grossières, medium et fines.
L'augmentation du frottement observée aux vitesses de glissement les plus faibles (courbe de Stribeck étendue) peut être attribuée à la déformation de l'échantillon mou. Les courbes des trois échantillons se chevauchent. Cela suggère que ce phénomène est indépendant de la taille des particules et qu'il est plutôt régi par les propriétés intrinsèques de l'échantillon mou. Un maximum local de friction peut être observé pour l'échantillon de masse de cacao fine dans les courbes de Stribeck étendues (figure 2 gauche) et de Stribeck (figure 2 droite). Une raison potentielle de ce comportement est le collage des particules small entre la bille en rotation et l'élastomère, ce qui entraîne une augmentation effective de la rugosité de la surface et donc du frottement.
L'échantillon de pâte de cacao fine présente le frottement limite le plus élevé (figure 3), alors que ce facteur n'est pas significativement différent pour les échantillons de pâte de cacao grossière et de pâte de cacao medium. Une fois le frottement limite dépassé, le frottement de l'échantillon de pâte de cacao grossier diminue de manière significative. Une explication possible de ce comportement est que les grosses particules sont trop grosses pour entrer dans l'espace entre la bille de verre en rotation et l'élastomère, ce qui se traduit par une fraction volumique solide plus faible de la suspension. Par conséquent, le frottement au niveau du tribo-contact est plus faible.
La figure 4 (courbes de Stribeck dans la plage de vitesse de glissement du régime hydrodynamique) indique que le frottement dans le régime hydrodynamique est le plus élevé pour l'échantillon de pâte de cacao grossière et le plus faible pour l'échantillon de pâte de cacao fine. Plus la taille des particules est élevée, plus la vitesse de glissement à laquelle la transition a lieu est faible. Cela correspond à la viscosité de cisaillement plus élevée de l'échantillon grossier à des taux de cisaillement plus élevés (voir [1]).
Conclusion
Les propriétés tribologiques de trois échantillons de pâte de cacao présentant une distribution granulométrique différente ont été comparées. Des différences dans le comportement de frottement ont été détectées et peuvent être liées à différents mécanismes de lubrification. D'autres explications et mécanismes suggérés sont décrits dans [1].