Inledning
Tribologi är studiet av friktion, slitage och smörjning i system med interagerande ytor i rörelse. Den är av stort intresse inom livsmedelsvetenskap, där den används för att förstå förhållandet mellan livsmedelsstruktur och sensorisk perception.
En tribologisk mätning är representativ för de processer som är involverade under intag, tuggning och sväljning av livsmedel och ger därmed en inblick i munkänslan [1]. Den använder ett tribosystem, t.ex. paret tunga/gom som smörjs av mat-salivblandningar under den orala bearbetningen [2]. I det följande undersöks hur partikelstorleken i kakaomassor påverkar deras beteende i mjuka, lågtrycks tribologiska sammanhang. Mer information om denna applikation finns i [3].
Material och tester Villkor
Tre prover bereddes från samma parti kakaomassa för att säkerställa samma sammansättning. Varje prov maldes i en horisontell kulkvarn (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Den volymekvivalenta diametern D90 för varje prov bestämdes med ett Mastersizer 3000 laserdiffraktionsinstrument för partikelstorlek (Malvern Panalytical). De tre beredda proverna skilde sig åt i sin partikelstorleksfördelning (D90): 33 μm för det grova kakaomasseprovet, 26 μm för medium kakaomasseprovet och 20 μm för det fina kakaomasseprovet.
Tribologiska mätningar utfördes med en Kinexus Prime ultra+ rotationsreometer utrustad med en Peltier-plattkassett med aktiv huv och en tribologicell med kulor på tre stift (NETZSCH Analyzing & Testing). Den övre mätgeometrin omfattade en borosilikatglaskula med en diameter på 12,7 mm och SIL 30 stift av silikonuretanelastomer (Carbon Inc.) användes som nedre provkroppar som representerade tribo-paret mjuk oral tunga-palats. Kulan pressas mot stiften och avståndet mellan rotationsaxeln och kontakten mellan kulan och stiften är R. Stiften lutar 45° i förhållande till horisontalplanet. Axeln roterar med en definierad vinkelhastighet som motsvarar respektive glidhastighet vid tribo-kontakten (se figur 1 till vänster). Det vridmoment som krävs för denna rotationsrörelse registreras under den tribologiska mätningen.
Mätningarna utfördes vid 40°C med en normalkraft på 1 N. Mätprogrammet beskrivs i detalj i tabell 1 (se även [1]).
Oberoende av den tribologiska provningen utfördes också skjuvviskositetskurvor på de tre proverna. De presenteras inte här, men kan ses i [1]. De visar att vid högre skjuvhastigheter (> 3 s-1) är skjuvviskositeten högst för det grova kakaomassaprovet och lägst för den fina kakaomassan.
Tabell 1: Parametrar för de tribologiska mätningarna
| Fas | Vinkelviskositet | |
|---|---|---|
| 1 | Inkörning | 15 rad/s (10 min) |
| 2 | Hållning | AvslappningNär en gummiblandning utsätts för en konstant töjning är den kraft som krävs för att upprätthålla töjningen inte konstant utan minskar med tiden; detta beteende kallas spänningsrelaxation. Processen som orsakar spänningsrelaxering kan vara fysikalisk eller kemisk och under normala förhållanden sker båda samtidigt. Avslappning (5 min) |
| 3 | Mätning av förlängd Stribeck-kurva | 5.10-6 till 100 rad/s |
| 4 | Mätning av Stribeck-kurva | 100 till 5.10-6 rad/s |
Resultat och diskussion
I figur 2 visas de förlängda Stribeck-kurvorna och Stribeck-kurvorna från de tribologiska mätningarna på de grova, medium och fina kakaomassorna.
Den ökning av friktionen som observeras vid de lägsta glidhastigheterna (förlängd Stribeck-kurva) kan hänföras till deformationen av det mjuka provet. Kurvorna för alla tre proverna överlappar varandra. Detta tyder på att detta fenomen är oberoende av partikelstorleken och i stället styrs av den mjuka provkroppens inneboende bulkegenskaper. Ett lokalt friktionsmaximum kan ses för provet med fin kakaomassa i både de förlängda Stribeck- (figur 2 vänster) och Stribeck-kurvorna (figur 2 höger). En potentiell orsak till detta beteende är att small partiklarna fastnar mellan den roterande kulan och elastomeren, vilket leder till en effektiv ökning av ytjämnheten och därmed av friktionen.
Det fina kakaomassaprovet uppvisar den högsta gränsfriktionen (figur 3), medan denna faktor inte skiljer sig nämnvärt för de grova och medium kakaomassaproverna. Efter att den begränsande friktionen har överskridits minskar friktionen för det grova kakaomassaprovet avsevärt. En möjlig förklaring till detta beteende är att de grova partiklarna är för stora för att komma in i utrymmet mellan den roterande glaskulan och elastomeren, vilket resulterar i en lägre fast volymfraktion i suspensionen. Följaktligen är friktionen vid tribo-kontakten lägre.
Figur 4 (Stribeck-kurvor i glidhastighetsområdet för den hydrodynamiska regimen) visar att friktionen i den hydrodynamiska regimen är högst för det grova kakaomassaprovet och lägst för det fina kakaomassaprovet. Ju högre partikelstorleken är, desto lägre är den glidhastighet vid vilken övergången sker. Detta överensstämmer med den högre skjuvviskositeten hos det grova provet vid högre skjuvhastigheter (se [1]).
Slutsats
De tribologiska egenskaperna hos tre kakaomassaprover med olika partikelstorleksfördelning jämfördes. Skillnader i friktionsbeteendet upptäcktes som kan relateras till olika smörjmekanismer. Andra förklaringar och föreslagna mekanismer beskrivs i [1].