Introduzione
La tribologia è lo studio dell'attrito, dell'usura e della lubrificazione in sistemi con superfici interagenti in movimento. È di grande interesse nella scienza dell'alimentazione, dove viene utilizzata per comprendere la relazione tra la struttura degli alimenti e la percezione sensoriale.
Una misurazione tribologica è rappresentativa dei processi coinvolti durante l'assunzione, la masticazione e la deglutizione del cibo, e quindi fornisce indicazioni sul sapore della bocca [1]. Utilizza un sistema tribale, come la coppia lingua/palato lubrificata dalle miscele cibo-saliva durante la lavorazione orale [2]. Di seguito viene analizzata l'influenza della dimensione delle particelle nelle masse di cacao sul loro comportamento in un contesto tribologico morbido e a bassa pressione. Ulteriori informazioni su questa applicazione sono disponibili in [3].
Materiali e condizioni di prova
Sono stati preparati tre campioni dallo stesso lotto di massa di cacao per garantire la stessa composizione. Ogni campione è stato macinato su un mulino a sfere orizzontale (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Il diametro equivalente al volume D90 di ciascun campione è stato determinato con uno strumento per la dimensione delle particelle a diffrazione laser Mastersizer 3000 (Malvern Panalytical). I tre campioni preparati differivano per la loro distribuzione granulometrica (D90): 33 μm per il campione di massa di cacao grossolana, 26 μm per il campione di massa di cacao medium e 20 μm per il campione di massa di cacao fine.
Le misure tribologiche sono state eseguite con un reometro rotazionale Kinexus Prime ultra+ dotato di una cartuccia a piastre di Peltier con cappa attiva e una cella tribologica a tre perni (NETZSCH Analyzing & Testing). La geometria di misurazione superiore comprendeva una sfera di vetro borosilicato del diametro di 12,7 mm, mentre come campioni inferiori sono stati utilizzati SIL 30 perni in elastomero siliconico uretanico (Carbon Inc.), che rappresentano la coppia tribo-lingua orale morbida-palato. La sfera viene premuta contro i perni e la distanza tra l'asse di rotazione e il contatto sfera-perno è R. I perni sono inclinati di 45° rispetto all'orizzontale. L'albero ruota con una velocità angolare definita che corrisponde alla rispettiva velocità di scorrimento sul contatto tribo (vedi figura 1 a sinistra). La coppia necessaria per questo movimento di rotazione viene registrata durante la misurazione tribologica.
Le misure sono state eseguite a 40°C con una forza normale di 1 N. Il programma di misura è dettagliato nella tabella 1 (si veda anche [1]).
Indipendentemente dalle prove tribologiche, sono state eseguite anche curve di viscosità al taglio sui tre campioni. Non sono presentate qui, ma possono essere consultate in [1]. Esse mostrano che a velocità di taglio più elevate (> 3 s-1), la viscosità di taglio è più alta per il campione di massa di cacao grossolana e più bassa per la massa di cacao fine.
Tabella 1: Parametri delle misure tribologiche
| Fase | Viscosità angolare | |
|---|---|---|
| 1 | Rodaggio | 15 rad/s (10 min) |
| 2 | Mantenimento | RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. Rilassamento (5 min) |
| 3 | Misura della curva di Stribeck estesa | 5.da 10-6 a 100 rad/s |
| 4 | Misura della curva di Stribeck | da 100 a 5.10-6 rad/s |
Risultati e discussione
La Figura 2 mostra le curve di Stribeck estese e le curve di Stribeck risultanti dalle misure tribologiche sulle masse di cacao grossolane, medium e fini.
L'aumento dell'attrito osservato alle velocità di scorrimento più basse (curva di Stribeck estesa) può essere attribuito alla deformazione del provino morbido. Le curve di tutti e tre i campioni si sovrappongono. Ciò suggerisce che questo fenomeno è indipendente dalle dimensioni delle particelle ed è invece governato dalle proprietà intrinseche del campione morbido. Per il campione di massa di cacao fine si osserva un massimo locale di attrito sia nelle curve di Stribeck estese (figura 2 a sinistra) che in quelle di Stribeck (figura 2 a destra). Una potenziale ragione di questo comportamento è l'adesione delle particelle di small tra la sfera rotante e l'elastomero, che porta a un effettivo aumento della rugosità superficiale e quindi dell'attrito.
Il campione di massa di cacao fine presenta l'attrito limite più elevato (figura 3), mentre questo fattore non è significativamente diverso per i campioni di massa di cacao grossa e medium. Una volta superato l'attrito limite, l'attrito del campione di massa di cacao grossolano si riduce significativamente. Una possibile spiegazione di questo comportamento è che le particelle grossolane sono troppo grandi per entrare nello spazio tra la sfera di vetro rotante e l'elastomero, con conseguente riduzione della frazione di volume solido della sospensione. Di conseguenza, l'attrito al contatto tribo è minore.
La Figura 4 (curve di Stribeck nell'intervallo di velocità di scorrimento del regime idrodinamico) indica che l'attrito nel regime idrodinamico è più elevato per il campione di massa di cacao grossolana e più basso per il campione di massa di cacao fine. Maggiore è la dimensione delle particelle, minore è la velocità di scorrimento a cui avviene la transizione. Ciò corrisponde alla maggiore viscosità di taglio del campione grossolano a velocità di taglio più elevate (cfr. [1]).
Conclusione
Sono state confrontate le proprietà tribologiche di tre campioni di massa di cacao con diversa distribuzione granulometrica. Sono state rilevate differenze nel comportamento di attrito che possono essere correlate a diversi meccanismi di lubrificazione. Altre spiegazioni e meccanismi suggeriti sono descritti in [1].