Introdução
A tribologia é o estudo do atrito, do desgaste e da lubrificação em sistemas com superfícies que interagem em movimento. Ela é de grande interesse na ciência dos alimentos, onde é usada para entender a relação entre a estrutura do alimento e a percepção sensorial.
Uma medição tribológica é representativa dos processos envolvidos durante a ingestão, a mastigação e a deglutição de alimentos e, portanto, fornece informações sobre a sensação da boca [1]. Ela usa um tribossistema, como o par língua/palato lubrificado por misturas de alimentos e saliva durante o processamento oral [2]. A seguir, será investigada a influência do tamanho da partícula nas massas de cacau sobre seu comportamento em um contexto tribológico macio e de baixa pressão. Mais informações sobre esse aplicativo podem ser encontradas em [3].
Materiais e condições de teste
Três amostras foram preparadas a partir do mesmo lote de massa de cacau para garantir a mesma composição. Cada amostra foi moída em um moinho de bolas horizontal (NETZSCH Grinding & Dispersing).
O diâmetro equivalente ao volume D90 de cada amostra foi determinado com um instrumento de tamanho de partícula de difração a laser Mastersizer 3000 (Malvern Panalytical). As três amostras preparadas diferiram em sua distribuição de tamanho de partícula (D90): 33 μm para a amostra de massa de cacau grossa, 26 μm para a amostra de massa de cacau medium e 20 μm para a amostra de massa de cacau fina.
As medições tribológicas foram realizadas com um reômetro rotacional Kinexus Prime ultra+ equipado com um cartucho de placa Peltier com capa ativa e uma célula tribológica de bola sobre três pinos (NETZSCH Analyzing & Testing). A geometria de medição superior incluía uma esfera de vidro de borosilicato medindo 12,7 mm de diâmetro e pinos de elastômero de uretano de silicone SIL 30 (Carbon Inc.) foram usados como amostras inferiores, representando o par de tribos língua oral-palato macio. A esfera é pressionada contra os pinos e a distância entre o eixo de rotação e o contato esfera-pino é R. Os pinos são inclinados a 45° em relação à horizontal. O eixo gira com uma velocidade angular definida que corresponde à respectiva velocidade de deslizamento no contato tribo (veja a figura 1 à esquerda). O torque necessário para esse movimento rotacional é registrado durante a medição tribológica.
As medições foram realizadas a 40°C com uma força normal de 1 N. O programa de medição está detalhado na tabela 1 (consulte também [1]).
Independentemente dos testes tribológicos, as curvas de viscosidade de cisalhamento também foram realizadas nas três amostras. Elas não são apresentadas aqui, mas podem ser vistas em [1]. Elas mostram que, em taxas de cisalhamento mais altas (> 3 s-1), a viscosidade de cisalhamento é mais alta para a amostra de massa de cacau grossa e mais baixa para a massa de cacau fina.
Tabela 1: Parâmetros das medições tribológicas
| Fase | Viscosidade angular | |
|---|---|---|
| 1 | Amaciamento | 15 rad/s (10 min) |
| 2 | Manutenção | RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. Relaxamento (5 min) |
| 3 | Medição estendida da curva de Stribeck | 5.10-6 a 100 rad/s |
| 4 | Medição da curva de Stribeck | 100 a 5.10-6 rad/s |
Resultados e discussão
A Figura 2 mostra as curvas de Stribeck estendidas e as curvas de Stribeck resultantes das medições tribológicas nas massas de cacau grossas, medium e finas.
O aumento do atrito observado nas velocidades de deslizamento mais baixas (curva de Stribeck estendida) pode ser atribuído à deformação do corpo de prova macio. As curvas de todas as três amostras se sobrepõem. Isso sugere que esse fenômeno é independente do tamanho da partícula e, em vez disso, é governado pelas propriedades intrínsecas do corpo de prova macio. Um máximo local de atrito pode ser observado para a amostra de massa fina de cacau em ambas as curvas Stribeck estendida (figura 2 à esquerda) e Stribeck (figura 2 à direita). Um possível motivo para esse comportamento é a aderência das partículas de small entre a esfera rotativa e o elastômero, levando a um aumento efetivo da rugosidade da superfície e, portanto, do atrito.
A amostra de massa de cacau fina apresenta o maior atrito limitante (Figura 3), enquanto esse fator não é significativamente diferente para as amostras de massa de cacau grossa e medium. Depois que o atrito limite é ultrapassado, o atrito da amostra de massa de cacau grossa é significativamente reduzido. Uma possível explicação para esse comportamento é que as partículas grossas são grandes demais para entrar no espaço entre a esfera de vidro rotativa e o elastômero, resultando em menor fração de volume sólido da suspensão. Consequentemente, o atrito no tribo-contato é menor.
A Figura 4 (Curvas de Stribeck na faixa de velocidade de deslizamento do regime hidrodinâmico) indica que o atrito no regime hidrodinâmico é maior para a amostra de massa de cacau grossa e menor para a amostra de massa de cacau fina. Quanto maior o tamanho da partícula, menor a velocidade de deslizamento na qual ocorre a transição. Isso está de acordo com a maior viscosidade de cisalhamento da amostra grossa em taxas de cisalhamento mais altas (consulte [1]).
Conclusão
As propriedades tribológicas de três amostras de massa de cacau com diferentes distribuições de tamanho de partícula foram comparadas. Foram detectadas diferenças no comportamento de atrito que podem estar relacionadas a diferentes mecanismos de lubrificação. Outras explicações e mecanismos sugeridos estão descritos em [1].