Bevezetés
A tribológia a súrlódás, a kopás és a kenés tanulmányozása olyan rendszerekben, ahol a felületek mozgásban vannak egymással kölcsönhatásban. Nagy érdeklődésre tart számot az élelmiszertudományban, ahol az élelmiszerek szerkezete és az érzékszervi érzékelés közötti kapcsolat megértésére használják.
A tribológiai mérés reprezentálja az élelmiszerfelvétel, a rágás és a nyelés során lejátszódó folyamatokat, és így betekintést nyújt a szájérzetbe [1]. Olyan triboszisztémát használ, mint például a nyelv/szájpad páros, amelyet a szájban történő feldolgozás során az élelmiszer-nyál keverékek kenegetnek [2]. A következőkben a kakaómasszák részecskeméretének hatását vizsgáljuk a viselkedésükre lágy, alacsony nyomású tribológiai kontextusban. Az alkalmazással kapcsolatban további információk találhatók a [3]-ban.
Anyagok és vizsgálati feltételek
Három mintát készítettünk ugyanabból a kakaómassza tételből, hogy biztosítsuk az azonos összetételt. Mindegyik mintát vízszintes golyósmalomban őröltük (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Az egyes minták D90 térfogategyenérték-átmérőjét Mastersizer 3000 lézerdiffrakciós részecskeméret-mérő műszerrel (Malvern Panalytical) határoztuk meg. A három elkészített minta részecskeméret-eloszlása (D90) különbözött egymástól: 33 μm a durva kakaómassza minta esetében, 26 μm a medium kakaómassza minta esetében és 20 μm a finom kakaómassza minta esetében.
A tribológiai méréseket egy Kinexus Prime ultra+ rotációs reométerrel végeztük, amely egy Peltier-lemezes kazettával és egy golyós-háromcsapos tribológiai cellával (NETZSCH Analyzing & Testing) volt felszerelve. A felső mérési geometria egy 12,7 mm átmérőjű boroszilikát üveggömböt tartalmazott, alsó próbatestként pedig SIL 30 szilikon-uretán elasztomer csapokat (Carbon Inc.) használtunk, amelyek a lágy szájnyelv-nyálcsont hárompárját reprezentálták. A golyó a csapokhoz van nyomva, és a forgástengely és a golyó-szeg érintkezés közötti távolság R. A csapok a vízszinteshez képest 45°-kal vannak dőlve. A tengely meghatározott szögsebességgel forog, amely megfelel a tribo-kontaktusnál a megfelelő csúszási sebességnek (lásd a bal oldali 1. ábrát). A tribológiai mérés során az ehhez a forgómozgáshoz szükséges nyomatékot rögzítjük.
A méréseket 40°C-on végeztük 1 N normálerővel. A mérési programot az 1. táblázat részletezi (lásd még [1]).
A tribológiai vizsgálattól függetlenül a három mintán nyírási viszkozitási görbéket is végeztünk. Ezeket itt nem mutatjuk be, de megtekinthetők az [1]-ben. Ezek azt mutatják, hogy nagyobb nyírási sebességeknél (> 3 s-1) a nyírási viszkozitás a durva kakaómassza mintánál a legmagasabb, a finom kakaómasszánál pedig a legalacsonyabb.
Táblázat: A tribológiai mérések paraméterei
| Fázis | Szögletes Viszkozitás | |
|---|---|---|
| 1 | Bejáratás | 15 rad/s (10 perc) |
| 2 | Tartás | Relaxáció (5 perc) |
| 3 | Kiterjesztett Stribeck-görbe mérése | 5.10-6 és 100 rad/s között |
| 4 | Stribeck-görbe mérése | 100-5.10-6 rad/s |
Eredmények és vita
A 2. ábra a kiterjesztett Stribeck-görbéket és a durva, a medium és a finom kakaótömegeken végzett tribológiai mérésekből származó Stribeck-görbéket ábrázolja.
A súrlódásnak a legkisebb csúszási sebességeknél megfigyelt növekedése (meghosszabbított Stribeck-görbe) a puha próbatest deformációjának tulajdonítható. Mindhárom minta görbéi átfedik egymást. Ez arra utal, hogy ez a jelenség független a részecskemérettől, és ehelyett a puha minta saját ömlesztett tulajdonságai irányítják. A súrlódás helyi maximuma látható a finom kakaómassza mintánál mind a kiterjesztett Stribeck- (2. ábra balra), mind a Stribeck-görbéken (2. ábra jobbra). Ennek a viselkedésnek az egyik lehetséges oka a small részecskék megtapadása a forgó golyó és az elasztomer között, ami a felületi érdesség és ezáltal a súrlódás tényleges növekedéséhez vezet.
A finom kakaómassza minta mutatja a legnagyobb határsúrlódást (3. ábra), míg ez a tényező nem különbözik jelentősen a durva és a medium kakaómassza minták esetében. A határsúrlódás túllépése után a durva kakaómassza minta súrlódása jelentősen csökken. Ennek a viselkedésnek az egyik lehetséges magyarázata, hogy a durva részecskék túl nagyok ahhoz, hogy a forgó üveggolyó és az elasztomer közötti térbe kerüljenek, ami a szuszpenzió kisebb szilárd térfogattömeg-frakcióját eredményezi. Következésképpen a súrlódás a tribo-kontaktusnál kisebb.
A 4. ábra (Stribeck-görbék a hidrodinamikai rendszer csúszási sebességtartományában) azt mutatja, hogy a súrlódás a hidrodinamikai rendszerben a durva kakaómassza mintánál a legnagyobb, a finom kakaómassza mintánál pedig a legkisebb. Minél nagyobb a szemcseméret, annál kisebb az a csúszási sebesség, amelynél az átmenet bekövetkezik. Ez összhangban van a durva minta nagyobb nyírási sebességnél nagyobb nyírási viszkozitásával (lásd [1]).
Következtetés
Három különböző szemcseméret-eloszlású kakaómassza minta tribológiai tulajdonságait hasonlították össze. A súrlódási viselkedésben különbségeket észleltünk, amelyek a különböző kenési mechanizmusokkal hozhatók összefüggésbe. Egyéb magyarázatokat és javasolt mechanizmusokat a [1] ismertet.