소개
마찰학은 상호작용하는 표면이 움직이는 시스템에서 마찰, 마모, 윤활을 연구하는 학문입니다. 식품 구조와 감각 지각 사이의 관계를 이해하는 데 사용되는 식품 과학에서 큰 관심을 받고 있습니다.
마찰 측정은 음식 섭취, 저작 및 삼키는 동안 관련된 프로세스를 대표하며, 따라서 식감에 대한 통찰력을 제공합니다 [1]. 구강 처리 과정에서 음식과 타액 혼합물에 의해 윤활되는 혀/입천장 쌍과 같은 트라이보시스템을 사용합니다 [2]. 다음에서는 코코아 덩어리의 입자 크기가 부드럽고 저압 마찰학적인 맥락에서 거동에 미치는 영향을 조사합니다. 이 애플리케이션에 대한 자세한 내용은 [3]에서 확인할 수 있습니다.
재료 및 테스트 조건
동일한 조성을 보장하기 위해 동일한 배치의 코코아 덩어리에서 세 가지 샘플을 준비했습니다. 각 샘플은 수평 볼 밀에서 분쇄했습니다(NETZSCH Grinding & Dispersing).
각 샘플의 D90 부피 등가 직경은 Mastersizer 3000 레이저 회절 입자 크기 측정기(Malvern Panalytical)를 사용하여 측정했습니다. 세 가지 준비된 샘플의 입자 크기 분포(D90)가 달랐습니다: 거친 코코아 덩어리 샘플의 경우 33μm, medium 코코아 덩어리 샘플의 경우 26μm, 미세한 코코아 덩어리 샘플의 경우 20μm였습니다.
마찰 측정은 액티브 후드가 있는 펠티에 플레이트 카트리지와 볼 온 3핀 마찰 셀(NETZSCH 분석 및 테스트)이 장착된 키넥서스 프라임 울트라+ 회전 레오미터로 수행했습니다. 상부 측정 지오메트리에는 직경 12.7 mm의 붕규산 유리 볼이 포함되어 있으며, 부드러운 구강 혀-입천장 트라이보 쌍을 나타내는 하부 시편으로 SIL 30 실리콘 우레탄 엘라스토머 핀(Carbon Inc.)이 사용되었습니다. 볼은 핀에 눌려 있고 회전축과 볼-핀 접촉 사이의 거리는 R입니다. 핀은 수평에 대해 45° 기울어져 있습니다. 샤프트는 트라이보 접점에서 각각의 슬라이딩 속도에 해당하는 정의된 각속도로 회전합니다(왼쪽 그림 1 참조). 이 회전 운동에 필요한 토크는 마찰 측정 중에 기록됩니다.
측정은 40°C에서 1N의 정상 힘으로 수행되었으며, 측정 프로그램은 표 1에 자세히 설명되어 있습니다([1] 참조).
마찰 테스트와는 별도로 전단-점도 곡선도 세 가지 샘플에 대해 수행했습니다. 여기에는 제시되지 않았지만 [1]에서 확인할 수 있습니다. 전단 속도(> 3 s-1)가 높을수록 전단 점도는 거친 코코아 덩어리 샘플에서 가장 높고 미세한 코코아 덩어리에서 가장 낮다는 것을 보여줍니다.
표 1: 마찰 측정의 매개변수
| 위상 | 각점도 | |
|---|---|---|
| 1 | 런인 | 15 rad/s(10분) |
| 2 | 유지 | 휴식 (5분) |
| 3 | 확장 스트리벡 곡선 측정 | 5.10-6 ~ 100 rad/s |
| 4 | 스트라이벡 곡선 측정 | 100 ~ 5.10-6 rad/s |
결과 및 토론
그림 2는 거친 코코아 덩어리( medium )와 미세 코코아 덩어리( )에 대한 마찰학 측정 결과의 확장된 스트리벡 곡선과 스트리벡 곡선을 보여줍니다.
가장 낮은 슬라이딩 속도에서 관찰되는 마찰의 증가(확장된 스트리벡 곡선)는 부드러운 시편의 변형에 기인할 수 있습니다. 세 샘플의 곡선이 모두 겹칩니다. 이는 이 현상이 입자 크기와 무관하며 연질 시료의 고유한 부피 특성에 의해 지배된다는 것을 시사합니다. 미세한 코코아 덩어리 샘플의 경우 확장된 스트리벡(그림 2 왼쪽)과 스트리벡 곡선(그림 2 오른쪽) 모두에서 마찰의 국부적 최대값을 볼 수 있습니다. 이 동작의 잠재적 원인은 회전하는 볼과 엘라스토머 사이에 small 입자가 달라붙어 표면 거칠기가 효과적으로 증가하여 마찰이 발생하기 때문입니다.
미세 코코아 덩어리 샘플은 가장 높은 제한 마찰을 나타내지만(그림 3), 이 요소는 거친 코코아 덩어리 샘플과 medium 코코아 덩어리 샘플에서 크게 다르지 않습니다. 제한 마찰을 초과하면 거친 코코아 덩어리 샘플의 마찰이 현저히 감소합니다. 이 동작에 대한 한 가지 가능한 설명은 굵은 입자가 너무 커서 회전하는 유리 볼과 엘라스토머 사이의 공간에 들어가기 어렵기 때문에 서스펜션의 고체 부피 비율이 낮아진다는 것입니다. 결과적으로 트라이보 접점에서의 마찰이 낮아집니다.
그림 4(유체역학 영역의 슬라이딩 속도 범위에서 스트리벡 곡선)는 유체역학 영역의 마찰이 거친 코코아 질량 샘플에서 가장 높고 미세 코코아 질량 샘플에서 가장 낮다는 것을 나타냅니다. 입자 크기가 클수록 전이가 일어나는 슬라이딩 속도가 낮아집니다. 이는 더 높은 전단 속도에서 굵은 시료의 전단 점도가 더 높기 때문입니다([1] 참조).
결론
입자 크기 분포가 다른 세 가지 코코아 덩어리 샘플의 마찰 특성을 비교했습니다. 서로 다른 윤활 메커니즘과 관련이 있을 수 있는 마찰 거동의 차이가 감지되었습니다. 다른 설명과 제안된 메커니즘은 [1]에 설명되어 있습니다.