Inleiding
Tribologie is de studie van wrijving, slijtage en smering in systemen met op elkaar inwerkende oppervlakken die in beweging zijn. Het is van groot belang in de voedingswetenschap, waar het gebruikt wordt om de relatie tussen de structuur van voedingsmiddelen en de zintuiglijke waarneming te begrijpen.
Een tribologische meting is representatief voor de processen die plaatsvinden tijdens het eten, kauwen en slikken, en geeft dus inzicht in het mondgevoel [1]. Het maakt gebruik van een tribosysteem, zoals het tong/gehemelte paar dat gesmeerd wordt door voedsel-saliva mengsels tijdens orale verwerking [2]. Hieronder wordt de invloed van de deeltjesgrootte in cacaomassa's op hun gedrag in een zachte tribologische context bij lage druk onderzocht. Meer informatie over deze toepassing is te vinden in [3].
Materialen en testomstandigheden
Er werden drie monsters bereid van dezelfde partij cacaomassa om zeker te zijn van dezelfde samenstelling. Elk monster werd gemalen op een horizontale kogelmolen (NETZSCH Grinding & Dispersing).
De D90 volume-equivalente diameter van elk monster werd bepaald met een Mastersizer 3000 laserdiffractie-deeltjesgrootte-instrument (Malvern Panalytical). De drie bereide monsters verschilden in hun deeltjesgrootteverdeling (D90): 33 μm voor het grove cacaomassa monster, 26 μm voor het medium cacaomassa monster en 20 μm voor het fijne cacaomassa monster.
Tribologische metingen werden uitgevoerd met een Kinexus Prime ultra+ rotationele reometer uitgerust met een Peltier-plaatpatroon met actieve kap en een tribologiecel met kogeltjes op drie pinnen (NETZSCH Analyzing & Testing). De bovenste meetgeometrie omvatte een borosilicaatglazen bal met een diameter van 12,7 mm en SIL 30 elastomeerpennen van siliconen urethaan (Carbon Inc.) werden gebruikt als onderste preparaten die het tribo-paar van de zachte tong en het gehemelte vertegenwoordigen. De kogel wordt tegen de pinnen gedrukt en de afstand tussen de rotatieas en het contact tussen de kogel en de pinnen is R. De pinnen staan onder een hoek van 45° ten opzichte van het horizontale vlak. De as roteert met een gedefinieerde hoeksnelheid die overeenkomt met de respectieve glijsnelheid bij het tribo-contact (zie figuur 1 links). Het koppel dat nodig is voor deze rotatiebeweging wordt geregistreerd tijdens de tribologische meting.
De metingen werden uitgevoerd bij 40°C met een normaalkracht van 1 N. Het meetprogramma is gedetailleerd in tabel 1 (zie ook [1]).
Onafhankelijk van de tribologische testen werden ook afschuifviscositeitscurves uitgevoerd op de drie monsters. Deze worden hier niet gepresenteerd, maar zijn te zien in [1]. Ze laten zien dat bij hogere afschuifsnelheden (> 3 s-1), de afschuifviscositeit het hoogst is voor het grove cacaomassamonster en het laagst voor de fijne cacaomassa.
Tabel 1: Parameters van de tribologische metingen
| Fase | Hoek Viscositeit | |
|---|---|---|
| 1 | Inlopen | 15 rad/s (10 min) |
| 2 | Vasthouden | OntspanningWanneer een constante spanning wordt uitgeoefend op een rubbermengsel, is de kracht die nodig is om die spanning te handhaven niet constant maar neemt deze af met de tijd; dit gedrag staat bekend als spanningsrelaxatie. Het proces dat verantwoordelijk is voor spanningsrelaxatie kan fysisch of chemisch zijn en onder normale omstandigheden zullen beide tegelijkertijd optreden. Ontspanning (5 min) |
| 3 | Uitgebreide Stribeck-curve meting | 5.10-6 tot 100 rad/s |
| 4 | Stribeck-curve meting | 100 tot 5,10-6 rad/s |
Resultaten en discussie
Figuur 2 toont de uitgebreide Stribeck-curven en de Stribeck-curven die het resultaat zijn van de tribologische metingen aan de grove, medium en fijne cacaomassa's.
De toename in wrijving waargenomen bij de laagste glijsnelheden (verlengde Stribeck curve) kan worden toegeschreven aan de vervorming van het zachte proefstuk. De curven van alle drie monsters overlappen elkaar. Dit suggereert dat dit fenomeen onafhankelijk is van de deeltjesgrootte en in plaats daarvan wordt bepaald door de intrinsieke bulkeigenschappen van het zachte proefstuk. Een lokaal maximum in wrijving kan worden gezien voor het monster met de fijne cacaomassa in zowel de uitgebreide Stribeck (figuur 2 links) als de Stribeck krommen (figuur 2 rechts). Een mogelijke reden voor dit gedrag is het vastplakken van de small deeltjes tussen de roterende kogel en het elastomeer, wat leidt tot een effectieve toename van de oppervlakteruwheid en dus van de wrijving.
Het monster met de fijne cacaomassa vertoont de hoogste grenswrijving (figuur 3), terwijl deze factor niet significant verschilt voor de grove en de medium cacaomassa monsters. Nadat de grenswrijving is overschreden, is de wrijving van het grove cacaomassa monster aanzienlijk verminderd. Een mogelijke verklaring voor dit gedrag is dat de grove deeltjes te groot zijn om de ruimte tussen de roterende glazen bol en het elastomeer binnen te dringen, wat resulteert in een lagere vaste volumefractie van de suspensie. Bijgevolg is de wrijving bij het tribo-contact lager.
Figuur 4 (Stribeck krommen in het glijsnelheidsbereik van het hydrodynamische regime) geeft aan dat de wrijving in het hydrodynamische regime het hoogst is voor het grove cacaomassa monster en het laagst voor het fijne cacaomassa monster. Hoe groter de deeltjesgrootte, hoe lager de glijsnelheid waarbij de overgang plaatsvindt. Dit komt overeen met de hogere afschuifviscositeit van het grove monster bij hogere afschuifsnelheden (zie [1]).
Conclusie
De tribologische eigenschappen van drie cacaomassa monsters met verschillende deeltjesgrootteverdeling werden vergeleken. Er werden verschillen in het wrijvingsgedrag ontdekt die gerelateerd kunnen worden aan verschillende smeermechanismen. Andere verklaringen en voorgestelde mechanismen worden beschreven in [1].