2.2 Структурно-механические свойства материалов

Как уже было сказано, реология описывает деформацию тела под действием напряжения. В данном контексте тела могут быть твердыми, жидкими или газообразными.

Идеально твердое тело деформируется упруго. Энергия, необходимая для этой деформации, полностью возвращается при снятии напряжения.

Идеально текучие системы, такие как жидкости или газы, деформируются необратимо — они текут. Энергия, необходимая для их деформации, переходит в теплоту, рассеивается и не может быть возвращена простым снятием напряжения. Реальные тела, с которыми мы обычно встречаемся, никогда не являются ни иде­ально твердыми, ни идеально жидкими.

Реальные твердые тела под действием силы достаточной величины также могут деформироваться необратимо, они "ползут" или "текут".

Только очень немногие жидкости, имеющие практическое значение, близки по своему поведению к идеальным. Подавляющее большинство жидкостей по их реологическому поведению можно отнести к промежуточной области между жидкостью и твердым телом: они проявляют как вязкие, так и упругие свойства, и поэтому могут быть названы "вязкоупругими". К твердым телам могут быть приложены как растягивающие, так и сдвиговые напряжения, тогда как к жидкости - только сдвиговые.

Наиболее полное представление о некоторых существенных аспектах качества продукта может дать группа физических свойств, которая проявляет зависимость от биологического и химического состава (рецептуры) и внутреннего строения (структуры продукта). Небольшие изменения этих определяющих характеристик должны вызывать значительные изменения величин свойств, которые регистрируются приборами. При этом характеристики сырья предопределяют основные показатели готовых продуктов. К одной из групп таких показателей относятся структурно-механические (реологические) свойства.

Переработка различных пищевых материалов сопровождается сложными физико-химическими, биологическими и механическими процессами, изучение которых позволяет организовать эффективный и объективный реологический контроль и управление технологическими циклами производства. Большинство процессов в пищевой промышленности связано с переработкой дисперсных систем, суспензий, коллоидных растворов, различных упруго-пластично-вязких материалов. Реологические исследования позволяют глубже познать физику явления, происходящего при обработке пищевых материалов.

Реологические свойства могут быть использованы в расчётах процессов, которые необходимо производить при создании новых конструкций машин и реконструкции существующих, а также для выбора наиболее рациональных режимов работы оборудования и оптимальных технологических схем производства, использовать в качестве контролируемых параметров при создании автоматизированных систем управления машинами, агрегатами, производственными участками, при автоматизированном контроле качества продукции. Реология позволяет управлять структурой и качеством продуктов путем внесения добавок, изменения режимов и способов механической и технологической обработки.

Свойства пищевого сырья и продуктов зависят от таких факторов как:

• температура;

• влажность;

• величина и продолжительность механического воздействия;

• сроки хранения, транспортирования, способа получения данного продукта;

• прочие частные причины.

Основные структурно-механические характеристики можно классифицировать по характеру приложения к продукту внешних усилий и вызываемых ими деформаций на три группы: сдвиговые, компрессионные и поверхностные.

Сдвиговые свойства определяют поведение объема продукта при воздействии на него сдвиговых касательных напряжений. К основным сдвиговым реологическим свойствам пищевых продуктов (при напряжении сдвига больше предельного значения) можно отнести: предельное напряжение сдвига, пластическую и эффективную вязкость для вязко-пластичных систем и динамическую вязкость для структурированных жидкостей.

Компрессионные (объемные) свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него нормальных напряжений в замкнутой форме или между двумя пластинами. К параметрам, определяющим компрессионные свойства, относятся модуль упругости, период релаксации деформации или напряжения, относительная линейная и объемная деформация, работа сжатия и среза, предельное напряжение среза. Эти параметры необходимы для расчета процессов шприцевания, формования и дозирования.

Поверхностные свойства характеризуют поведение продукта на границе раздела с другими твердыми материалами при воздействии нормальных (адгезия) и касательных (внешнее трение) напряжений.

Структурно-механические характеристики характеризуют также качество продукции по ее консистенции. Для оценки качества фарша предпочтительны сдвиговые (предельное напряжение сдвига) или поверхностные (липкость) характеристики, а для готовых пищевых изделий (колбаса мясная или рыбная, сыр и др.) - компрессионные характеристики (предельное напряжение среза, работа сжатия и среза).

Реологические характеристики качественно и количественно определяют поведение продукта в условиях напряженного состояния и позволяют связать между собой напряжения, деформации или скорости деформаций в процессе приложения усилий. Они не являются «чистыми» константами материала, но существенно зависят от формы и размеров тела, скорости нагружения, состояния поверхности, влияния окружающей среды, температуры, структуры и других фак­торов. При известных величинах характеристик можно вычислить напряжение или деформацию и получить необходимые параметры процесса или аппарата, т.е. выполнить прочностные и технологические расчеты. Кроме того, свойство продукта как объективная реальность позволяет охарактеризовать его качество.

К основным реологическим свойствам материалов относятся:

• вязкость;

• упругость;

• пластичность;

• прочность;

• твёрдость.

У одного и того же материала, в зависимости от его состояния и условий нагружения, проявляются те или иные реологические свойства. Поэтому в первую очередь необходимо выяснить, какие свойства исследуемого материала при заданных условиях деформирования являются основными, определяющими.

Вязкость - мера сопротивления течению. Это одно из важнейших понятий в реологии. Она является основным свойством для жидких тел, а также для пластичных тел после превышения предела текучести. В реологии пищевых масс вязкость в смысле коэффициента вязкости не всегда применима. Наиболее употребимым является определение вязкости как свойства пищевого материала противодействовать сдвиговому течению; причём под течением подразумевается состояние движения среды, при котором изменение скоростей сдвига вызывает изменение противодействующих течению сил внутреннего трения (касательных напряжений).

Для ньютоновских жидкостей вязкость определяется согласно линейному закону вязкого течения Ньютона:

dF = h ■ ^ddW ■ dS dn '

где dF - сила внутреннего трения на элементарном участке;

h - коэффициент динамической вязкости, который характеризует величину усилий, возникающих между двумя элементарными слоями жидкости при их относительном смещении, Пас;

dw dn

градиент скорости движения слоёв в направлении,

перпендикулярном к их поверхности (скорость сдвига); dS - площадь элементарного участка.

Таким образом, ньютоновская жидкость - это вязкая жидкость, подчиняющаяся при своём течении закону вязкого трения Ньютона. Закон устанавливает линейную зависимость между касательным напряжением 0 в плоскостях соприкосновения слоёв жидкости и производной по скорости по направлению к нормали к этой плоскости.

Многие пищевые среды не подчиняются закону вязкого трения Ньютона - то есть не являются ньютоновскими жидкостями. Соответственно, их вязкостные свойства нельзя описать одним параметром (коэффициентом вязкости). Для таких жидкостей, которые называют неньютоновскими, вязкость - величина, определяемая с помощью приборов для реологических исследований. Вязкость неньютоновских жидкостей является функцией скорости сдвига, поэтому её называют «кажущейся», или эффективной, вязкостью h [Па с].

Подход, при котором факт существования вязкости просто констатируется и устанавливается, например, связь между напряжениями и скоростями сдвига, называется феноменологическим и является предметом макрореологии. Для неньютоновских жидкостей эффективная вязкость состоит из двух компонентов:

1. ньютоновской вязкости J], которая основана на внутреннем трении и представляет физическую константу материала;

2. структурного сопротивления, которое зависит от структурного состояния дисперсных систем и является функцией скорости сдвига g'.

В силу сложности состава пищевых сред в настоящее время достоверные знания о вязкости материалов для построения математических реологических моделей процессов переработки пищевых масс получают путём экспериментальных реологических исследований.

Упругость - способность тела после деформирования полностью восстанавливать свою первоначальную форму или объем, т.е. работа деформирования равна работе восстановления. Упругость тел при растяжении - сжатии характеризуется модулем упругости первого рода (модуль Юнга) Е [Па], а при сдвиге - второго рода (модуль сдвига) G [Па]. Простейший закон Гука получают из обобщённого закона с применением коэффициента Пуассона:

• при одноосном растяжении s = E ■ e;

• при сдвиге s = G ■ g.

Линейный закон Гука характеризует абсолютную упругость (эластичность) материала, т.е. свойство материала после снятия нагрузки возвращаться в первоначальное недеформированное состояние. Гуковское тело - это идеально

25

упругое тело, связь между напряжением и деформацией которого описывается законом Гука.

Аналогично закону Ньютона, закон Гука во многих случаях деформации пищевых материалов нарушается уже в эластичной области. Если некоторая часть деформации останется необратимой, то эту часть называют пластической деформацией.

Пластичность - способность тела под действием внешних сил необратимо деформироваться без нарушения сплошности. В реологии в этом смысле при деформациях существует понятие «предельное напряжение сдвига» (ПНС), обозначаемое 00. Это напряжение, при превышении которого в материале появляются пластические деформации.

Прочностью называют сопротивление тела действию внешних сил, которые приводят к течению или к их разрушению. Это способность тела воспринимать нагрузку без разрушения и образования остаточной деформации.

Твёрдость - это комплексное свойство негуковских тел оказывать сопротивление проникновению другого тела вследствие необратимых деформаций. Твёрдость нельзя выразить как физическую величину с однозначной размерностью. Она является некоторым техническим параметром, который выражается в относительных величинах в зависимости от метода определения.

Твёрдость определяется следующими методами:

• нанесением царапин (шкала твёрдости по Мосу);

• внедрение в исследуемое тело более твёрдого тела: шара (твёрдость по Бринелю), конуса (твёрдость по Роквеллу), пирамиды (твёрдость по Викерсу).

По величине силы и геометрическим параметрам остаточной деформации рассчитывают коэффициент твёрдости. Между коэффициентами, полученными с помощью различных методов, существуют определенные соотношения.

К другим физико-механическим свойствам материалов можно отнести:

• мягкость

• хрупкость

• когезию

• адгезию

• липкость

• внешнее трение.

Мягкость - свойство, противоположное твёрдости.

Хрупкость - свойство твёрдых тел достигать разрушения при незначительных пластических деформациях. Чисто гуковские тела обнаруживают хрупкое разрушение при любой скорости деформации. У негуковских тел хрупкое разрушение наступает только при высоких скоростях деформации или низких температурах, когда теряют действие вязкостные свойства.

Когезия - сопротивление тела разрушению, связанному с преодолением сил взаимодействия между атомами и молекулами на поверхности раздела. Между работой когезии и работой хрупкого разрушения существует прямая зависимость. Когезия характеризует сцепление частиц внутри рассматриваемого материала.

Адгезия - свойство, которое основывается на взаимодействии двух различных тел на границе раздела фаз и вызывает сцепление тел. При разделении тел необходимо преодолеть силы сцепления. Прочность соединения двух тел из различных материалов зависит от площади и состояния поверхности контакта между телами.

Липкость - свойство пограничного слоя вязких или пластичных материалов оказывать сопротивление разделению находящихся в контакте поверхностей.

Внешнее трение - сопротивление относительному перемещению двух находящихся в соприкосновении поверхностей твёрдого тела. Для начала скольжения необходимо приложить нагрузку, превышающую силы трения покоя.

Адгезия, когезия, коэффициент трения представляют группу поверхностных свойств среди структурно-механических характеристик. Они характеризуют усилие взаимодействия между рабочими поверхностями оборудования и перерабатываемого продукта при отрыве или сдвиге.

В процессе технологической обработки пищевые материалы находятся в контакте с поверхностями различных рабочих органов машин, транспортирующих устройств и т.п. Характер течения массы по каналам формующих машин разных типов (шнековых, валковых, шестеренных и др.), а также по технологическим трубопроводам определяется как её структурно-механическими свойствами, так и силами сцепления с поверхностями контакта.

Для пищевых материалов характерны разные виды отрыва (рис. 4). В ряде случаев для двух или более фазовых систем установить границу разрушения сложно. Поверхность пластины после отрыва может быть смочена дисперсионной средой или покрыта тончайшей плёнкой тонкодисперсной фракции исследуемого продукта.

Общей количественной теории адгезии пока нет, хотя весьма плодотворны попытки комплексного объяснения адгезии на основе различных механизмов взаимодействия.

а) б) в)

а) адгезионный; б) когезионный; в) смешанный- адгезионно-когезионный Рисунок 4 - Виды отрыва материала

Величину адгезии двух тел принято характеризовать:

• силой отрыва;

• удельной работой отрыва, отнесённой к единице площади;

• временем, необходимым для нарушения связи между субстратом и адгезивом под действием определённой нагрузки.

Наиболее распространёнными методами испытания являются:

а) неравномерный отрыв, который позволяет выявить изменения в значениях адгезионной прочности на отдельных участках ис­пытуемого образца;

б) равномерный отрыв, при котором измеряют значение усилия, необходимого для отделения адгезива от субстрата одновременно по всей площади контакта;

в) сдвиг одного материала относительно другого.

Часто адгезию характеризуют минимальной силой, необходимой для отрыва. Эту величину называют адгезионной прочностью, адгезионным давлением (напряжением), давлением прилипания или удельным прилипанием.

На формирование адгезионной связи большое влияние оказывают реологические свойства адгезива, чистота поверхности подложки и её топография, продолжительность контактирования адгезива и субстрата, давление при контакте, температура адгезива и подложки, скорость отрыва от подложки.

При эксплуатации оборудования, а также при проектировании и создании новых машин необходимо учитывать адгезионные явления, для того чтобы правильно выбрать материал деталей или покрытий, установить оптимальный режим работы. Например, при производстве мягких сортов конфет из пралиновых масс, сливочной помадки и ряда других в зависимости от назначения тех или иных органов машины приходится или увеличивать их адгезионное взаимодействие, или добиваться минимального прилипания. Так, если в питающей зоне

28

формующей машины прилипание массы к стенкам должно быть наименьшим, то в шнековой камере - наибольшим. Поверхность же шнека в противоположность выше сказанному должна быть гладкой, выполненной из материала, наименее прилипающего к массе.

Хотя до настоящего времени природа адгезии не выявлена, существует несколько теорий, объясняющих физико-химическую сущность адгезионных явлений: адсорбционная, электрическая, электромагнитная,

электрорелаксационная, диффузионная, термодинамическая.

Формально адгезия определяется как удельная сила нормального отрыва пластины от продукта:

po = F0/A0,

где F0 - сила отрыва, Н;

A0 - геометрическая площадь пластины, м².

Группа компрессионных свойств используется для оценки качества продукта (например, при растяжении - сжатии) и для расчёта рабочих органов машин и аппаратов. В группу компрессионных свойств входят:

• коэффициент бокового давления

• коэффициент Пуассона

• модуль упругости

• плотность

• удельный вес.

Плотность как одно из компрессионных свойств является существенной характеристикой пищевого материала - как при оценке качества продукта, так и при проведении технологических расчётов. Среднюю плотность p [кг/м³] для сравнительно небольшого объёма материала V [м³] определяют из соотношения:

p= М/ V,

где М - масса продукта, кг.

Истинная плотность равна пределу отношения массы к объёму, когда последний стремится к нулю.

Между плотностью и удельным весом g [Н/м³]существует простая зависимость:

g= Pg-

Плотность смеси из нескольких компонентов, когда они не вступают во взаимодействие, при котором меняется состав или объём смеси, вычисляется с учётом массовой концентрации каждого компонента смеси.

Плотность сыпучих веществ определяется с учётом наличия газового пространства между частицами вещества и называется насыпной плотностью.

Каждый материал обладает всем комплексом реологических свойств, хотя и в различной степени. У одного и того же материала в зависимости от его состояния и условий нагружения, могут проявляться, в большей или меньшей степени, различные реологические свойства. Например, макаронное тесто при мгновенном воздействии нагрузки ведёт себя в основном как упругое тело. При других условиях нагружения больше проявляются его вязкостные и пластические свойства. Поэтому в первую очередь необходимо выяснять, какие свойства исследуемого материала при заданных условиях деформирования являются основными, определяющими.

Среди пищевых масс встречаются материалы, весьма разнообразные по своим реологическим свойствам. Нередко в процессе технологической обработки один и тот же продукт переходит из одного реологического состояния в другое, противоположное по свойствам первому. Например, шоколад при отливке в форму переходит из вязкого (текучего) в твёрдое (хрупкое) состояние.