Pendahuluan
Tribologi adalah studi tentang gesekan, keausan, dan pelumasan dalam sistem dengan permukaan yang saling berinteraksi dan bergerak. Ilmu ini sangat menarik dalam ilmu makanan, yang digunakan untuk memahami hubungan antara struktur makanan dan persepsi sensorik.
Pengukuran tribologi mewakili proses yang terlibat selama asupan makanan, pengunyahan, dan penelanan, dan dengan demikian memberikan wawasan tentang rasa di mulut [1]. Pengukuran ini menggunakan tribosistem, seperti pasangan lidah/palate yang dilumasi oleh campuran air liur makanan selama pemrosesan oral [2]. Berikut ini, pengaruh ukuran partikel dalam massa kakao terhadap perilakunya dalam konteks tribologi yang lembut dan bertekanan rendah diselidiki. Informasi lebih lanjut tentang aplikasi ini dapat ditemukan di [3].
Bahan dan Kondisi Pengujian
Tiga sampel disiapkan dari kumpulan massa kakao yang sama untuk memastikan komposisi yang sama. Setiap sampel digiling di atas ball mill horizontal (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Diameter setara volume D90 dari setiap sampel ditentukan dengan instrumen ukuran partikel difraksi laser Mastersizer 3000 (Malvern Panalytical). Ketiga sampel yang disiapkan berbeda dalam distribusi ukuran partikelnya (D90): 33 μm untuk sampel massa kakao kasar, 26 μm untuk sampel massa kakao medium dan 20 μm untuk sampel massa kakao halus.
Pengukuran tribologi dilakukan dengan menggunakan rotational rheometer Kinexus Prime ultra+ yang dilengkapi dengan kartrid pelat Peltier dengan tudung aktif dan sel tribologi ball-on-three-pins (NETZSCH Analyzing & Testing). Geometri pengukuran atas termasuk bola kaca borosilikat dengan diameter 12,7 mm, dan pin elastomer silikon uretan SIL 30 (Carbon Inc.) digunakan sebagai spesimen yang lebih rendah yang mewakili pasangan lidah-langit-langit mulut yang lembut. Bola ditekan pada pin dan jarak antara sumbu rotasi dan kontak bola-pin adalah R. Pin dimiringkan pada 45 ° relatif terhadap horizontal. Poros berputar dengan kecepatan sudut yang ditentukan yang sesuai dengan kecepatan geser masing-masing pada kontak tribo (lihat gambar 1 di sebelah kiri). Torsi yang diperlukan untuk gerakan rotasi ini dicatat selama pengukuran tribologi.
Pengukuran dilakukan pada suhu 40°C dengan gaya normal 1 N. Program pengukuran dirinci pada tabel 1 (lihat juga [1]).
Terlepas dari pengujian tribologi, kurva viskositas geser juga dilakukan pada ketiga sampel. Kurva-kurva tersebut tidak disajikan di sini, tetapi dapat dilihat di [1]. Kurva tersebut menunjukkan bahwa pada kecepatan geser yang lebih tinggi (> 3 s-1), viskositas geser paling tinggi pada sampel massa kakao kasar dan paling rendah pada massa kakao halus.
Tabel 1: Parameter pengukuran tribologi
| Fase | Viskositas Sudut | |
|---|---|---|
| 1 | Masuk | 15 rad/s (10 menit) |
| 2 | Memegang | RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. Relaksasi (5 menit) |
| 3 | Pengukuran kurva Stribeck yang diperpanjang | 5.10-6 hingga 100 rad/s |
| 4 | Pengukuran kurva Stribeck | 100 hingga 5.10-6 rad/s |
Hasil dan Pembahasan
Gambar 2 menggambarkan kurva Stribeck yang diperpanjang dan kurva Stribeck yang dihasilkan dari pengukuran tribologi pada massa kakao kasar, medium dan kakao halus.
Peningkatan gesekan yang diamati pada kecepatan geser terendah (kurva Stribeck yang diperpanjang) dapat dikaitkan dengan deformasi spesimen lunak. Kurva dari ketiga sampel saling tumpang-tindih. Hal ini menunjukkan bahwa fenomena ini tidak bergantung pada ukuran partikel dan sebaliknya diatur oleh sifat bulk intrinsik dari spesimen lunak. Sebuah nilai maksimum lokal dalam gesekan dapat dilihat untuk sampel massa kakao halus pada kurva Stribeck yang diperpanjang (gambar 2 kiri) dan kurva Stribeck (gambar 2 kanan). Alasan potensial untuk perilaku ini adalah menempelnya partikel small antara bola yang berputar dan elastomer, yang menyebabkan peningkatan kekasaran permukaan yang efektif dan dengan demikian juga gesekan.
Sampel massa kakao halus menunjukkan gesekan pembatas tertinggi (gambar 3), sedangkan faktor ini tidak berbeda secara signifikan untuk sampel massa kakao kasar dan medium. Setelah gesekan pembatas terlampaui, gesekan pada sampel massa kakao kasar berkurang secara signifikan. Salah satu penjelasan yang mungkin untuk perilaku ini adalah bahwa partikel kasar terlalu besar untuk masuk ke dalam ruang antara bola kaca yang berputar dan elastomer, yang menghasilkan fraksi volume padat suspensi yang lebih rendah. Akibatnya, gesekan pada kontak tribo menjadi lebih rendah.
Gambar 4 (kurva Stribeck dalam rentang kecepatan geser rezim hidrodinamika) menunjukkan bahwa gesekan dalam rezim hidrodinamika paling tinggi terjadi pada sampel massa kakao kasar dan paling rendah terjadi pada sampel massa kakao halus. Semakin tinggi ukuran partikel, semakin rendah kecepatan geser yang terjadi pada saat transisi. Hal ini sesuai dengan viskositas geser yang lebih tinggi dari sampel kasar pada laju geser yang lebih tinggi (lihat [1]).
Kesimpulan
Sifat tribologi dari tiga sampel massa kakao dengan distribusi ukuran partikel yang berbeda dibandingkan. Perbedaan perilaku gesekan terdeteksi yang dapat dikaitkan dengan mekanisme pelumasan yang berbeda. Penjelasan lain dan mekanisme yang disarankan dijelaskan dalam [1].