Введение
Трибология - это изучение трения, износа и смазки в системах с взаимодействующими поверхностями, находящимися в движении. Она представляет большой интерес для науки о пище, где используется для понимания взаимосвязи между структурой пищи и ее сенсорным восприятием.
Трибологические измерения отражают процессы, происходящие во время приема пищи, жевания и глотания, и, таким образом, дают представление о вкусовых ощущениях во рту [1]. Для этого используется трибосистема, например, пара язык/палата, смазываемая смесями пищи и слюны во время обработки полости рта [2]. Далее исследуется влияние размера частиц в какао-массе на их поведение в мягком трибологическом контексте при низком давлении. Более подробную информацию об этом применении можно найти в [3].
Материалы и условия испытаний
Три образца были приготовлены из одной партии какао-массы для обеспечения одинакового состава. Каждый образец был измельчен на горизонтальной шаровой мельнице (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Объемный эквивалентный диаметр D90 каждого образца определяли с помощью прибора для определения размера частиц Mastersizer 3000 с лазерной дифракцией (Malvern Panalytical). Три подготовленных образца отличались по распределению частиц по размерам (D90): 33 мкм для образца крупнозернистой какао-массы, 26 мкм для образца medium какао-массы и 20 мкм для образца мелкозернистой какао-массы.
Трибологические измерения проводились на ротационном реометре Kinexus Prime ultra+, оснащенном картриджем с пластинами Пельтье и активным кожухом и трибологической ячейкой с шариком на трех штифтах (NETZSCH Analyzing & Testing). Верхняя измерительная геометрия включала шарик из боросиликатного стекла диаметром 12,7 мм, а в качестве нижних образцов использовались штифты из силикон-уретанового эластомера SIL 30 (Carbon Inc.), представляющие собой трибопару мягкий язык-палата. Шарик прижимается к штифтам, а расстояние между осью вращения и контактом шарика со штифтом равно R. Штифты наклонены под углом 45° относительно горизонтали. Вал вращается с определенной угловой скоростью, которая соответствует скорости скольжения по трибоконтакту (см. рис. 1 слева). Крутящий момент, необходимый для этого вращательного движения, регистрируется во время трибологических измерений.
Измерения проводились при 40°C с нормальным усилием 1 Н. Программа измерений подробно описана в таблице 1 (см. также [1]).
Независимо от трибологических испытаний для трех образцов были также проведены кривые сдвиговой вязкости. Они не представлены здесь, но с ними можно ознакомиться в [1]. Они показывают, что при более высоких скоростях сдвига (> 3 с-1) вязкость при сдвиге наиболее высока для образца какао-массы грубого помола и наиболее низка для какао-массы тонкого помола.
Таблица 1: Параметры трибологических измерений
| Фаза | Угловая вязкость | |
|---|---|---|
| 1 | Обкатка | 15 рад/с (10 мин) |
| 2 | Удержание | Расслабление (5 мин) |
| 3 | Расширенное измерение кривой Стрибека | 5.от 10-6 до 100 рад/с |
| 4 | Измерение кривой Штрибека | от 100 до 5.10-6 рад/с |
Результаты и обсуждение
На рисунке 2 представлены расширенные кривые Стрибека и кривые Стрибека, полученные в результате трибологических измерений на крупной, medium и мелкой какао-массе.
Увеличение трения, наблюдаемое при самых низких скоростях скольжения (расширенная кривая Стрибека), может быть связано с деформацией мягкого образца. Кривые всех трех образцов перекрываются. Это позволяет предположить, что данное явление не зависит от размера частиц, а регулируется внутренними объемными свойствами мягкого образца. Локальный максимум трения можно наблюдать для образца с мелкой фракцией какао как на расширенной кривой Стрибека (рис. 2 слева), так и на кривой Стрибека (рис. 2 справа). Возможной причиной такого поведения является прилипание частиц small между вращающимся шариком и эластомером, что приводит к эффективному увеличению шероховатости поверхности и, следовательно, трения.
Образец мелкой какао-массы демонстрирует самое высокое предельное трение (рис. 3), в то время как для крупной и medium какао-массы этот фактор существенно не отличается. После того как предельное трение превышено, трение крупного образца какао-массы значительно снижается. Одно из возможных объяснений такого поведения заключается в том, что крупные частицы слишком велики, чтобы войти в пространство между вращающимся стеклянным шариком и эластомером, что приводит к снижению объемной доли твердого вещества в суспензии. Следовательно, трение в трибоконтакте ниже.
Рисунок 4 (кривые Штрибека в диапазоне скоростей скольжения в гидродинамическом режиме) показывает, что трение в гидродинамическом режиме является самым высоким для крупного образца какао-массы и самым низким для мелкого образца какао-массы. Чем больше размер частиц, тем ниже скорость скольжения, при которой происходит переход. Это согласуется с более высокой сдвиговой вязкостью крупного образца при более высоких скоростях сдвига (см. [1]).
Заключение
Сравнивались трибологические свойства трех образцов какао-массы с различным гранулометрическим составом. Обнаружены различия в поведении при трении, которые могут быть связаны с различными механизмами смазки. Другие объяснения и предполагаемые механизмы описаны в [1].