Wprowadzenie
Trybologia to nauka o tarciu, zużyciu i smarowaniu w systemach z powierzchniami oddziałującymi na siebie w ruchu. Jest ona bardzo interesująca w nauce o żywności, gdzie jest wykorzystywana do zrozumienia związku między strukturą żywności a percepcją sensoryczną.
Pomiar trybologiczny jest reprezentatywny dla procesów zachodzących podczas przyjmowania pokarmu, żucia i połykania, a tym samym daje wgląd w odczucia w ustach [1]. Wykorzystuje on trybosystem, taki jak para język/podniebienie smarowana mieszankami żywności i śliny podczas przetwarzania w jamie ustnej [2]. Poniżej zbadano wpływ wielkości cząstek w masie kakaowej na ich zachowanie w miękkim, niskociśnieniowym kontekście trybologicznym. Więcej informacji na temat tego zastosowania można znaleźć w [3].
Materiały i warunki testów
Przygotowano trzy próbki z tej samej partii miazgi kakaowej, aby zapewnić ten sam skład. Każda próbka została zmielona w poziomym młynie kulowym (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Średnicę równoważną objętości D90 każdej próbki określono za pomocą urządzenia do dyfrakcji laserowej Mastersizer 3000 (Malvern Panalytical). Trzy przygotowane próbki różniły się rozkładem wielkości cząstek (D90): 33 μm dla próbki gruboziarnistej masy kakaowej, 26 μm dla próbki medium masy kakaowej i 20 μm dla próbki drobnoziarnistej masy kakaowej.
Pomiary tribologiczne przeprowadzono za pomocą reometru rotacyjnego Kinexus Prime ultra+ wyposażonego we wkład z płytką Peltiera z aktywną osłoną i celą tribologiczną typu ball-on-three-pins (NETZSCH Analyzing & Testing). Górna geometria pomiarowa obejmowała kulkę ze szkła borokrzemianowego o średnicy 12,7 mm, a jako dolne próbki wykorzystano silikonowo-uretanowe elastomerowe szpilki SIL 30 (Carbon Inc.), reprezentujące miękką parę język-podniebienie jamy ustnej. Kulka jest dociskana do sworzni, a odległość między osią obrotu a stykiem kulki ze sworzniem wynosi R. Sworznie są nachylone pod kątem 45° względem poziomu. Wał obraca się z określoną prędkością kątową, która odpowiada odpowiedniej prędkości poślizgu na styku trzpienia (patrz rysunek 1 po lewej stronie). Moment obrotowy wymagany do tego ruchu obrotowego jest rejestrowany podczas pomiaru trybologicznego.
Pomiary przeprowadzono w temperaturze 40°C przy sile normalnej 1 N. Program pomiarowy przedstawiono szczegółowo w tabeli 1 (patrz również [1]).
Niezależnie od testów tribologicznych, na trzech próbkach wykonano również krzywe ścinanie-lepkość. Nie zostały one tutaj przedstawione, ale można je zobaczyć w [1]. Pokazują one, że przy wyższych szybkościach ścinania (> 3 s-1) lepkość przy ścinaniu jest najwyższa dla próbki gruboziarnistej masy kakaowej i najniższa dla drobnoziarnistej masy kakaowej.
Tabela 1: Parametry pomiarów trybologicznych
| Faza | Lepkość kątowa | |
|---|---|---|
| 1 | Docieranie | 15 rad/s (10 min) |
| 2 | Przetrzymanie | Rozluźnienie (5 min) |
| 3 | Rozszerzony pomiar krzywej Stribecka | 5.10-6 do 100 rad/s |
| 4 | Pomiar krzywej Stribecka | 100 do 5,10-6 rad/s |
Wyniki i dyskusja
Rysunek 2 przedstawia rozszerzone krzywe Stribecka i krzywe Stribecka wynikające z pomiarów trybologicznych gruboziarnistej, medium i drobnoziarnistej masy kakaowej.
Wzrost tarcia obserwowany przy najniższych prędkościach poślizgu (wydłużona krzywa Stribecka) można przypisać odkształceniu miękkiej próbki. Krzywe dla wszystkich trzech próbek pokrywają się. Sugeruje to, że zjawisko to jest niezależne od wielkości cząstek i jest regulowane przez wewnętrzne właściwości miękkiej próbki. Lokalne maksimum tarcia można zaobserwować dla próbki z drobną masą kakaową zarówno na rozszerzonej krzywej Stribecka (rysunek 2 po lewej), jak i na krzywej Stribecka (rysunek 2 po prawej). Potencjalną przyczyną takiego zachowania jest przyklejanie się cząstek small między obracającą się kulką a elastomerem, co prowadzi do efektywnego zwiększenia chropowatości powierzchni, a tym samym tarcia.
Próbka drobnej miazgi kakaowej wykazuje najwyższe tarcie graniczne (rysunek 3), podczas gdy współczynnik ten nie różni się znacząco dla próbek grubej i medium miazgi kakaowej. Po przekroczeniu tarcia granicznego tarcie próbki gruboziarnistej miazgi kakaowej ulega znacznemu zmniejszeniu. Jednym z możliwych wyjaśnień tego zachowania jest to, że gruboziarniste cząstki są zbyt duże, aby wejść do przestrzeni między obracającą się szklaną kulą a elastomerem, co skutkuje niższą frakcją objętościową ciała stałego w zawiesinie. W związku z tym tarcie na styku jest niższe.
Rysunek 4 (krzywe Stribecka w zakresie prędkości ślizgania w reżimie hydrodynamicznym) wskazuje, że tarcie w reżimie hydrodynamicznym jest najwyższe dla próbki gruboziarnistej masy kakaowej i najniższe dla próbki drobnoziarnistej masy kakaowej. Im większy rozmiar cząstek, tym niższa prędkość poślizgu, przy której następuje Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście. Jest to zgodne z wyższą lepkością ścinania gruboziarnistej próbki przy wyższych prędkościach ścinania (patrz [1]).
Wnioski
Porównano właściwości tribologiczne trzech próbek miazgi kakaowej o różnym rozkładzie wielkości cząstek. Wykryto różnice w zachowaniu podczas tarcia, które mogą być związane z różnymi mechanizmami smarowania. Inne wyjaśnienia i sugerowane mechanizmy opisano w [1].