Giriş
Triboloji, hareket halindeki etkileşimli yüzeylere sahip sistemlerde sürtünme, aşınma ve yağlamanın incelenmesidir. Gıda yapısı ve duyusal algı arasındaki ilişkiyi anlamak için kullanıldığı gıda biliminde büyük ilgi görmektedir.
Tribolojik bir ölçüm, gıda alımı, çiğneme ve yutma sırasında yer alan süreçleri temsil eder ve böylece ağız hissi hakkında fikir verir [1]. Ağızda işleme sırasında gıda-tükürük karışımları tarafından yağlanan dil/damak çifti gibi bir tribosistem kullanır [2]. Aşağıda, kakao kütlelerindeki partikül boyutunun yumuşak, düşük basınçlı tribolojik bağlamdaki davranışları üzerindeki etkisi araştırılmaktadır. Bu uygulama hakkında daha fazla bilgi [3]'te bulunabilir.
Malzemeler ve Test Koşulları
Aynı bileşimi sağlamak için aynı kakao kütlesi partisinden üç numune hazırlanmıştır. Her bir numune yatay bilyalı değirmende öğütülmüştür (NETZSCH Grinding & Dispersing).
Her bir numunenin D90 hacim eşdeğer çapı Mastersizer 3000 lazer kırınım parçacık boyutu cihazı (Malvern Panalytical) ile belirlenmiştir. Hazırlanan üç numune partikül boyutu dağılımı (D90) açısından farklılık göstermiştir: kaba kakao kütlesi örneği için 33 μm, medium kakao kütlesi örneği için 26 μm ve ince kakao kütlesi örneği için 20 μm.
Tribolojik ölçümler, aktif başlıklı bir Peltier plaka kartuşu ve üç pimli bir triboloji hücresi ile donatılmış bir Kinexus Prime ultra+ rotasyonel reometre ile gerçekleştirilmiştir (NETZSCH Analyzing & Testing). Üst ölçüm geometrisi olarak 12,7 mm çapında bir borosilikat cam bilye ve alt numune olarak yumuşak ağız dili-damak tribo çiftini temsil eden SIL 30 silikon üretan elastomer pimler (Carbon Inc.) kullanılmıştır. Top pimlere bastırılır ve dönme ekseni ile top-pim teması arasındaki mesafe R'dir. Pimler yataya göre 45° eğimlidir. Mil, tribo temasında ilgili kayma hızına karşılık gelen tanımlanmış bir açısal hızla döner (bkz. soldaki şekil 1). Bu dönme hareketi için gereken tork, tribolojik ölçüm sırasında kaydedilir.
Ölçümler 40°C'de 1 N normal kuvvet ile gerçekleştirilmiştir. Ölçüm programı Tablo 1'de ayrıntılı olarak verilmiştir (ayrıca bkz. [1]).
Tribolojik testlerden bağımsız olarak, üç numune üzerinde kayma-viskozite eğrileri de gerçekleştirilmiştir. Bunlar burada sunulmamıştır, ancak [1]'de görülebilir. Yüksek kesme hızlarında (> 3 s-1), kesme viskozitesinin kaba kakao kütlesi numunesi için en yüksek ve ince kakao kütlesi için en düşük olduğunu göstermektedir.
Tablo 1: Tribolojik ölçümlerin parametreleri
| Aşama | Açısal Viskozite | |
|---|---|---|
| 1 | İçeri girme | 15 rad/s (10 dakika) |
| 2 | Holding | RahatlamaBir kauçuk bileşiğine sabit bir gerinim uygulandığında, bu gerinimi korumak için gerekli kuvvet sabit olmayıp zamanla azalır; bu davranış gerilme gevşemesi olarak bilinir. Gerilme gevşemesinden sorumlu süreç fiziksel veya kimyasal olabilir ve normal koşullar altında her ikisi de aynı anda gerçekleşir. Rahatlama (5 dakika) |
| 3 | Genişletilmiş Stribeck eğrisi ölçümü | 5.10-6 ila 100 rad/s |
| 4 | Stribeck eğrisi ölçümü | 100 ila 5,10-6 rad/s |
Sonuçlar ve Tartışma
Şekil 2'de kaba, medium ve ince kakao kütleleri üzerindeki tribolojik ölçümlerden elde edilen genişletilmiş Stribeck eğrileri ve Stribeck eğrileri gösterilmektedir.
En düşük kayma hızlarında (genişletilmiş Stribeck eğrisi) gözlemlenen sürtünmedeki artış, yumuşak numunenin deformasyonuna bağlanabilir. Her üç numunenin eğrileri örtüşmektedir. Bu, bu fenomenin parçacık boyutundan bağımsız olduğunu ve bunun yerine yumuşak numunenin içsel yığın özellikleri tarafından yönetildiğini göstermektedir. İnce kakao kütlesi numunesi için hem genişletilmiş Stribeck (şekil 2 sol) hem de Stribeck eğrilerinde (şekil 2 sağ) sürtünmede yerel bir maksimum görülebilir. Bu davranışın olası bir nedeni small partiküllerin dönen bilye ile elastomer arasına yapışarak yüzey pürüzlülüğünde ve dolayısıyla sürtünmede etkili bir artışa yol açmasıdır.
İnce kakao kütlesi numunesi en yüksek sınırlayıcı sürtünmeyi sergilerken (şekil 3), bu faktör kaba ve medium kakao kütlesi numuneleri için önemli ölçüde farklı değildir. Sınırlayıcı sürtünme aşıldıktan sonra, kaba kakao kütlesi numunesinin sürtünmesi önemli ölçüde azalır. Bu davranışın olası bir açıklaması, kaba partiküllerin dönen cam bilye ile elastomer arasındaki boşluğa giremeyecek kadar büyük olması ve bunun sonucunda süspansiyonun katı hacim oranının düşmesidir. Sonuç olarak, tribo temasındaki sürtünme daha düşüktür.
Şekil 4 (hidrodinamik rejimin kayma hızı aralığındaki Stribeck eğrileri) hidrodinamik rejimdeki sürtünmenin kaba kakao kütlesi numunesi için en yüksek ve ince kakao kütlesi numunesi için en düşük olduğunu göstermektedir. Parçacık boyutu ne kadar yüksekse, geçişin gerçekleştiği kayma hızı da o kadar düşüktür. Bu, daha yüksek kayma hızlarında kaba numunenin daha yüksek kayma viskozitesi ile uyumludur (bkz. [1]).
Sonuç
Farklı partikül boyutu dağılımına sahip üç kakao kütlesi numunesinin tribolojik özellikleri karşılaştırılmıştır. Sürtünme davranışında farklı yağlama mekanizmalarıyla ilişkilendirilebilecek farklılıklar tespit edilmiştir. Diğer açıklamalar ve önerilen mekanizmalar [1]'de açıklanmıştır.