Introducere
Tribologia este studiul frecării, uzurii și lubrifierii în sistemele cu suprafețe care interacționează în mișcare. Este de mare interes în știința alimentară, unde este utilizată pentru a înțelege relația dintre structura alimentelor și percepția senzorială.
O măsurare tribologică este reprezentativă pentru procesele implicate în timpul ingerării, masticației și înghițirii alimentelor și, prin urmare, oferă o perspectivă asupra senzației în gură [1]. Aceasta utilizează un tribosistem, cum ar fi perechea limbă/palat lubrifiată de amestecurile aliment-salivă în timpul procesării orale [2]. În cele ce urmează, este investigată influența dimensiunii particulelor din masele de cacao asupra comportamentului acestora în context tribologic moale, la presiune scăzută. Mai multe informații despre această aplicație se găsesc în [3].
Materiale și condiții de testare
Trei probe au fost preparate din același lot de masă de cacao pentru a asigura aceeași compoziție. Fiecare eșantion a fost măcinat pe o moară cu bile orizontală (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Diametrul echivalent volumic D90 al fiecărei probe a fost determinat cu un instrument de difracție laser Mastersizer 3000 (Malvern Panalytical). Cele trei probe preparate diferă în ceea ce privește distribuția dimensiunii particulelor (D90): 33 μm pentru proba de masă de cacao grosieră, 26 μm pentru proba de masă de cacao medium și 20 μm pentru proba de masă de cacao fină.
Măsurătorile tribologice au fost efectuate cu un reometru rotațional Kinexus Prime ultra+ echipat cu un cartuș cu placă Peltier cu glugă activă și o celulă tribologică cu bile pe trei pini (NETZSCH Analyzing & Testing). Geometria de măsurare superioară a inclus o bilă din sticlă borosilicată cu diametrul de 12,7 mm, iar pini din elastomer silicon uretan SIL 30 (Carbon Inc.) au fost utilizați ca specimene inferioare reprezentând perechea tribo limbă orală moale-palat. Bila este presată împotriva știfturilor, iar distanța dintre axa de rotație și contactul dintre bilă și știft este R. Știfturile sunt înclinate la 45° față de orizontală. Arborele se rotește cu o viteză unghiulară definită care corespunde vitezei de alunecare respective la contactul tribo (a se vedea figura 1 din stânga). Cuplul necesar pentru această mișcare de rotație este înregistrat în timpul măsurării tribologice.
Măsurătorile au fost efectuate la 40°C cu o forță normală de 1 N. Programul de măsurare este detaliat în tabelul 1 (a se vedea și [1]).
Independent de testele tribologice, curbele de vâscozitate la forfecare au fost, de asemenea, efectuate pe cele trei probe. Acestea nu sunt prezentate aici, dar pot fi văzute în [1]. Acestea arată că, la viteze de forfecare mai mari (> 3 s-1), vâscozitatea de forfecare este cea mai mare pentru proba de masă de cacao grosieră și cea mai mică pentru masa de cacao fină.
Tabelul 1: Parametrii măsurătorilor tribologice
| Faza | Vâscozitate unghiulară | |
|---|---|---|
| 1 | Rularea | 15 rad/s (10 min) |
| 2 | Menținere | RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. Relaxare (5 min) |
| 3 | Măsurarea curbei Stribeck extinse | 5.10-6 până la 100 rad/s |
| 4 | Măsurarea curbei Stribeck | 100 până la 5.10-6 rad/s |
Rezultate și discuții
Figura 2 prezintă curbele Stribeck extinse și curbele Stribeck rezultate din măsurătorile tribologice asupra maselor de cacao grosiere, medium și fine.
Creșterea frecării observată la cele mai mici viteze de alunecare (curbă Stribeck extinsă) poate fi atribuită deformării probei moi. Curbele tuturor celor trei probe se suprapun. Acest lucru sugerează că acest fenomen este independent de dimensiunea particulelor și este, în schimb, guvernat de proprietățile intrinseci în vrac ale probei moi. Un maxim local al frecării poate fi observat pentru eșantionul de masă fină de cacao atât în curbele Stribeck extinse (figura 2 stânga), cât și în curbele Stribeck (figura 2 dreapta). Un motiv potențial pentru acest comportament este lipirea particulelor small între bila rotativă și elastomer, ceea ce duce la o creștere efectivă a rugozității suprafeței și, prin urmare, a frecării.
Proba fină de masă de cacao prezintă cea mai mare frecare limită (figura 3), în timp ce acest factor nu este semnificativ diferit pentru probele de masă de cacao grosieră și medium. După depășirea frecării limită, frecarea probei de masă de cacao grosieră este redusă semnificativ. O posibilă explicație pentru acest comportament este că particulele grosiere sunt prea mari pentru a intra în spațiul dintre bila de sticlă rotativă și elastomer, rezultând o fracție volumică solidă mai mică a suspensiei. În consecință, frecarea la nivelul tribocontactului este mai mică.
Figura 4 (curbele Stribeck în intervalul de viteze de alunecare al regimului hidrodinamic) indică faptul că frecarea în regimul hidrodinamic este cea mai mare pentru proba de masă de cacao grosieră și cea mai mică pentru proba de masă de cacao fină. Cu cât dimensiunea particulelor este mai mare, cu atât viteza de alunecare la care are loc tranziția este mai mică. Acest lucru este în concordanță cu vâscozitatea de forfecare mai mare a probei grosiere la viteze de forfecare mai mari (a se vedea [1]).
Concluzie
Au fost comparate proprietățile tribologice a trei probe de masă de cacao cu o distribuție diferită a dimensiunii particulelor. Au fost detectate diferențe în comportamentul la frecare care pot fi legate de diferite mecanisme de lubrifiere. Alte explicații și mecanisme sugerate sunt descrise în [1].