Методы определения основных структурно-механических свойств пищевых дисперсных систем в динамических условиях

18.06.2015

Основными физическими характеристиками, определяющими реакцию пищевых дисперсных систем на механические воздействия, являются реологические свойства сырья, полуфабрикатов и готовых изделий, которые одновременно могут быть главными критериями их состояния в процессах конвективного массопереноса. Поэтому совокупность дифференциальных и интегральных характеристик структурно-механических свойств должна составлять основу методов исследования дисперсных систем, высоко-наполненных твердой фазой (δ<δc).
Дифференциальные характеристики определяют свойства элементов, образующих структуру, и, в частности, тип и прочность, условия возникновения и разрыва единичного контакта между частицами твердой фазы. Методы определения дифференциальных характеристик зависят от специфики того или иного типа структур и будут рассмотрены далее.
Под интегральными характеристиками понимаются структурно-механические свойства системы в целом как совокупности взаимодействующих между собой фаз. К числу таких характеристик относятся, прежде всего, реологические свойства системы: вязкость, упругость, предельное напряжение сдвига, периоды релаксации напряжений, т. е. характеристики, определяемые суммой элементарных контактных взаимодействий между частицами дисперсных фаз в исследуемом объеме дисперсной системы.
В многочисленных работах, посвященных изучению механизма структурообразования в дисперсных системах, рассматриваются главным образом разнообразные интегральные характеристики структурированных систем и кинетика их изменения под действием физико-химических и механических факторов уже после того, как процессы превращения исходных фаз в двух- или трехфазные дисперсные структуры в основном завершены.
Между тем для выяснения оптимальных условий управления свойствами дисперсных структур необходимо установить механизм и кинетику образования и разрушения пространственной структурной сетки, т. е. кинетику взаимодействия твердой фазы, жидкой и газообразной среды с момента возникновения поверхности раздела между ними (площадь поверхности раздела фаз минимальна) до полного завершения распределения исходных фаз (площадь поверхности раздела фаз в гетерогенной системе максимальна).
Все эти процессы структурообразования связаны с изменением формы и объема системы, что следует учитывать при обосновании методов изучения их структурно-механических параметров.
В технологических процессах, сопровождаемых массопереносом, система, как правило, находится в сложном напряженном состоянии. Изучение поведения дисперсных систем в этих условиях и определение их структурно-механических свойств из-за сложности и нестационарности полей напряжений весьма затруднительно и в ряде случаев практически невозможно.
Влияние на систему вибрационного поля, реализующего необходимое динамическое состояние, еще более усложняет изучение структурно-механических свойств систем в процессе их технологической переработки. Возникает вопрос, каким образом определить в этих условиях эффект действия механических факторов, включая вибрацию, и обосновать их оптимальные параметры?
Наиболее целесообразный путь следующий. Превращение исходных дисперсных фаз в дисперсную систему — структурообразование в процессах массопереноса определяется кинетикой возникновения и разрыва связей между частицами твердой фазы, т. е. совокупностью поверхностных явлений в единице объема. Число и прочность «работающих» контактов в единице объема системы определяют ее структурно-механические свойства, прежде всего реологическое сопротивление изменению объема или формы под действием приложенных напряжений.
Воздействия в совокупности вибрации и физико-химических факторов в итоге приводят к уменьшению числа и прочности «работающих» контактов в единице объема системы, а значит и реологического сопротивления ее деформированию или изменению объема с данной скоростью.
При таком подходе механические факторы воздействия на дисперсную систему (в частности, вибрация) и физико-химические (ПАВ) могут сравниваться друг с другом или же должен быть определен результат их совместного действия на изменение реологического состояния — сопротивления единицы объема системы изменению формы или объема под действием внешних сил. В этом случае совместное действие вибрации и ПАВ на систему может рассматриваться независимо от воздействия внешних сил, вызывающих деформацию или изменение объема системы, и, наоборот, величины напряжений этих сил находятся в фундаментальной зависимости от степени разрушения структуры вибрацией в сочетании с ПАВ.
Определение реологического сопротивления при одновременном изменении объема и формы системы в каждый момент времени в процессах массопереноса отражает состояние структуры которое зафиксировано к моменту определения реологических характеристик, но которое непрерывно изменяется во времени в течение всего процесса структурообразования. Вследствие этого при изучении интегральных структурно-механических свойств системы в сложных условиях одновременного изменения ее объема и формы необходимо учитывать, что число кинетических единиц, а значит и число контактов между ними в единице объема непрерывно изменяются во времени. Поэтому реологическое состояние системы в каждый фиксированный момент времени в процессе массопереноса является, по-существу, квазиравновесным и речь идет именно об оценке кинетики изменения реологического состояния системы. В тех случаях, когда изучается влияние вибрации только на деформируемые (без изменения объема) системы в условиях установившегося равновесного стационарного потока, могут быть определены абсолютные значения реологических характеристик во всем возможном диапазоне их изменения в зависимости от параметров вибрации и скоростей непрерывного сдвигового деформирования.
Известно, что предельному разрушению структуры, т. е, разрыву всех связей между частицами твердой фазы в структурной сетке, соответствует минимум, реологического сопротивления и, в частности, минимум эффективной вязкости. С другой стороны, это же условие предопределяет возможность полного перераспределения дисперсных фаз и достижения предельной однородности системы.
Следовательно, методы изучения структурно-механических свойств дисперсных систем в условиях вибрации должны обеспечить возможность определения также и предельного состояния системы, подвергаемой воздействию вибрации, что соответствует минимуму «статических» напряжений от внешних сил, необходимых для изменения объема и формы системы в процессе смешивания, перемещения, уплотнения, формования и т. д.
Таким образом, в соответствии с основными задачами физико-химической механики дисперсных структур преимущественное значение должны иметь такие методы изучения структурообразования, которые позволяют определить интегральные реологические характеристики структурированных систем, находящихся под комплексным воздействием вибрационного поля и напряжений от внешних сил, вызывающих изменение объема и формы в процессе технологической переработки.
В отличие от классической реологии, изучающей и фиксирующей свойства систем преимущественно в равновесных условиях, цель реологии с позиции физико-химической механики — это управление структурой в дисперсных системах с учетом непрерывных изменений в ней непосредственно в технологических процессах.
Главная задача методов исследования в этом случае — определение реологического состояния структурированных систем, разрушаемых вибрационным полем заданной частоты и амплитуды с целью обоснования оптимальных параметров вибрации для управления реологическими свойствами структур в процессе технологической переработки. Эти методы составляют основу «управляющей реологии» — физико-химической механики.
В последние годы все большее распространение получают динамические методы исследований реологических свойств систем, основанные на воздействии на системы периодического сдвигового деформирования, причем источник колебаний служит одновременно и средством для изменения ряда реологических констант.
Эти методы, получившие название методов частотных характеристик, отличаются тем, что создание колебаний в объеме, ограниченном, измерительными поверхностями приборов, преследует цель измерения реологических характеристик системы, находящейся обычно в покое или деформируемой (без наложения вибрации на весь ее объем). В основе методов частотных характеристик лежит оценка эффектов, связанных с диссипацией энергии колебаний излучателя в системе. С помощью этих методов определяется ряд динамических реологических констант, характеризующих упругие и вязкие свойства системы:
G*(ω) — комплексный модуль;
G'(ω) — упругий динамический модуль;
G"(ω) — модуль потерь;
J'(ω) = 1/G'(ω) — упругая податливость;
J" (ω) = l/G"(ω) — податливость потерь;
tgδ1 = G''(ω)/G'(ω) — тангенс угла потерь;
η* — величина комплексной вязкости;
η — величина действительной составляющей комплексной вязкости.
Метод частотных характеристик предусматривает вполне определенное распределение скоростей и напряжений в системе.
В изучаемых нами процессах структурообразования в дисперсных системах под сложным воздействием вибрационного поля и внешних сил, вызывающих массоперенос и изменение объема и формы в структуре, распределение напряжений и скоростей — весьма сложный процесс. Условия же, позволяющие использовать метод частотных характеристик, могут выполняться только в тех случаях, когда, например, колебания среды с циклическим ее деформированием осуществляются в той же плоскости, что и непрерывное сдвиговое диформирование. Это направление и исследование механизма разрушения пространственных структур успешно развивается в работах школы Г.В. Виноградова.
В методе частотных характеристик вибрация не является средством измерения реологических свойств системы, а используется для создания динамического состояния исследуемых систем и обеспечения разрушения структуры в процессе измерения. Исследуемая же структура оценивается по изменению ее реологических характеристик в условиях непрерывного сдвигового деформирования.
В соответствии с основными задачами физико-химической механики дисперсных структур преимущественное значение имеют те методы изучения структурообразования, которые позволяют определить интегральные реологические характеристики структурированных систем, находящихся под комплексным воздействием вибрационного поля и внешних сил, вызывающих в процессе технологической переработки изменение объема и формы системы.
Эта группа методов основана на изучении реологических свойств систем, подвергаемых действию вибрации во всем объеме. В этом случае задача методов исследования состоит в изучении реологического состояния структурированных систем, разрушаемых вибрационным полем заданной частоты и амплитуды с целью выбора оптимальных параметров вибрации для управления реологическими свойствами структур в процессе технологической переработки.
Поэтому критерием воздействия вибрации на дисперсные структуры является определение условий деформации (преимущественно сдвиговой) и изменения объема системы при одновременном влиянии вибрационного поля различных частот и амплитуд.
При такой постановке задачи основу методов исследования реологических свойств структурированных дисперсных систем составляют классические методы реологии аномально-вязких систем, позволяющие установить зависимости: напряжение P — деформация ε, деформация ε — время τ, а также скорость деформации ε — напряжение P во всем возможном диапазоне изменений этих характеристик, а воздействие вибрационного поля на систему оценивается по изменению этих реологических зависимостей. Следовательно, при таком подходе структурно-механические свойства изучаются Как результат воздействия вибрации (в оптимальном случае в сочетании с ПАВ) путем определения реологических характеристик при непрерывном сдвиговом деформировании структуры и одновременном изменении объема или без него по методикам P(ε) при ε = Const или ε(τ) при P = const. Эти методики являются основными при изучении реологических свойств структурированных дисперсных систем, причем полная совокупность реологических характеристик может быть получена с помощью этих методик для наиболее сложных в реологическом отношении коагуляционных структур.
Методика ε(τ) при P = const. Позволяет при очень малых, но переменных скоростях деформаций определить характеристики неразрушенных структур, прежде всего наибольшую ньютоновскую вязкость. Особый интерес представляет вариант этой методики, сочетающий как изучение кинетики развития деформации при действии напряжения P = const, так и спада ее при снятии напряжения.
Методика Р(ε)' при ε = const. Позволяет определить прочностные характеристики, упругие свойства, высокоэластический модуль и ряд других характеристик дисперсных структур.
Однако каждой из этих методик наряду с отмеченными преимуществами свойственны и принципиальные недостатки. При использовании методики ε(τ) при P = const, по существу, не удается достичь стационарного равновесного течения из-за разрушения структуры. Поэтому определение вязкости ползучести по выходу на кажущуюся прямую зависимость ε—τ связано с известным допущением сохранения линейности этой зависимости.
Следовательно, полный комплекс структурно-механических свойств дисперсных структур может быть получен в совокупности этих методов. В этом комплексе в соответствии с двумя основными методиками широкое распространение получили методы, основанные на установлении реологических характеристик при весьма малых скоростях деформаций и узком диапазоне их изменения (статические методы), и методы с широким диапазоном изменения скоростей деформаций и напряжения сдвига.
Методика ε(τ) стала основной в большинстве работ по определению структурно-механических свойств различных дисперсных структур с широким диапазоном изменения их характеристик. Методика деформация ε — время τ при P = const позволяет получить семейство кривых, которые, по Ребиндеру, могут быть сведены к двум основным типам, ограниченным соотношением между величинами заданного напряжения P и Pk — предела упругости или текучести системы (рис. 17), изменяющихся в больших пределах.

Методы определения основных структурно-механических свойств пищевых дисперсных систем в динамических условиях

Для кривых типа I при достаточно малых значениях P<Pk1 развитие деформации во времени ограничено максимальным значением, которое соответствует пределу упругости. При достижении предела упругости уровень деформации постоянен. После разгрузки вся деформация падает до нуля, т. е. является полностью обратимой (рис. 17, а).
Для кривых типа II значения заданных напряжений Р≥Рk1 приводят к появлению остаточной деформации, необратимо развивающейся во времени после прекращения упругого последействия.
По П.А. Ребиндеру dε/dτ стремится к наименьшему постоянному значению (dε/dτ)ост.
Величина остаточной деформации после разгрузки
εост = τ1(dε/dτ)ост,

где τ1 — время пребывания системы под нагрузкой.
Важной особенностью кривых типа II является сохранение в потоке условно-мгновенной ε0 и эластической (ε—ε0) деформаций в течение всего времени деформации. При снятии нагрузки происходит мгновенный спад деформации на величину ε0, а затем медленный спад до значения ε0—ε.
Методика ε(τ) при P = Const позволяет определить следующие константы.
Условно-мгновенный модуль упругости при сдвиге
G1 = Р/ε0.

При этом имеется в виду, что условно-мгновенные деформации связаны с напряжением сдвига линейной гуковой зависимостью и за время первого отсчета остаточная деформация не успевает натечь.
Модуль эластичности
G2 = P/(εm - ε0).

Этот модуль определяет упругое поведение системы, замедленное во времени ее вязкостью.
Из рис. 17 вытекает, что
G2 = P/[ε - τ1 (dε/dτ)ост - ε0]

По методике ε(τ) при Р — const возможно определение истинной вязкости стационарного течения по уравнению
η = P1/(dε/dτ)ост,

где P1 = P—Pk — напряжение, при котором происходит стационарное течение.
Значение этой вязкости соответствует наибольшей вязкости практически, неразрушенной структуры. Значение η1 определяется по наклону линейного участка зависимости ε—τ.
Условная вязкость упругого последействия определяет характер развития эластической деформации и скорость ее нарастания:
η2 = P/[(dε/dτ)0 — (dε/dτ)ост].

Получение этих инвариантных реологических характеристик значительно осложняется в условиях, когда стационарное течение устанавливается в системах позднее, т. е. при больших величинах натекающей деформации и иных значениях dε/dτ, чем в начальной стадии нагружения.
Это указывает на сложность процесса деформации структурированных пластичных, вязкопластичных или упруговязкопластичных систем и необходимость весьма тщательного определения зоны установившегося течения.
Характер кривых течения ε(τ) в значительной степени зависит от P (см. рис. 17). Для кривых течения типа II (P≥Pk1) с увеличением P зависимость ε(τ) имеет вид, представленный на рис. 17, б.
Рост деформации (подъема линейного участка деформаций), аналогичный изображенному на рис. 17, б, может возникнуть при любой величине Р≥Рk, т. е. в любом случае для кривых е(т) при P = const типа II.
Условием для проявления этого эффекта является весьма длительное деформирование при P≥Pk1 = const.
Методика Р(ε) при ε = const получила наибольшее распространение для определения реологических характеристик в условиях разрушения структуры при разных, но постоянных в каждом случае величинах ε.
На основе методики Р(ε) при ε = const можно получить полные реологические кривые течения структурированных дисперсных систем в координатах ε—Р; η (эффективная вязкость) — P или в координатах lgη—lgP. При воздействии на дисперсную систему вибрационного поля эта методика позволяет также изучать взаимное влияние вибрации в условиях периодической и непрерывной деформации в широком диапазоне изменения градиентов скоростей ε0<εp<εm.
Методики Р(ε) при ε=const или ε(τ) при P=const, как было отмечено выше, являются основными при изучении структурномеханических свойств структурированных пищевых дисперсных систем.
Однако это не исключает возможность использования для исследования реологического состояния системы, подвергаемой вибрации, наряду с методами, основанными на непрерывном сдвиговом деформировании, использование динамических методов, в частности методов частотных характеристик. При этом следует учитывать, что колебания измерительной части прибора в локальном объеме системы не должны вызывать разрушения структуры больше, чем во всем объеме этой системы, которой вибрация сообщается основным источником колебаний.
Определение реологического сопротивления системы в любой момент времени отражает то квазиравновесное ее состояние, которое зафиксировано к моменту определения реологических характеристик, но которое непрерывно изменяется во времени — в течение процесса переработки системы.
Использование методов классической реологии в рассматриваемых условиях связано с известными допущениями, и речь идет именно об оценке кинетики изменения реологического состояния дисперсных систем. Количественные реологические характеристики в условиях истинного равновесия системы могут быть определены для крайнего случая — предельного разрушения структуры.
В тех случаях, когда изучается влияние вибрации только на деформируемые (без изменения объема) системы в условиях установившегося стационарного потока, строго количественно определяются обоснованные абсолютные значения реологических характеристик во всем возможном диапазоне изменения параметров вибрации и скоростей непрерывного сдвигового деформирования.
B отличие от процессов деформации при постоянном объеме вибрируемой системы при изучении реологических свойств системы в условиях изменения объема необходимо учитывать, что число кинетических единиц, а значит и число контактов между ними в единице объема, непрерывно изменяется. Поэтому реологическое состояние системы в каждый фиксированный момент времени в процессе изменения объема среды является, по существу, квазиравновесным.
В связи с этим, используя теорию прочности пористых структур, Е.Д. Щукин и Е.Д. Яхнин предложили установить взаимосвязь между напряжением сдвига, плотностью системы, концентрацией дисперсной фазы в дисперсионной среде, числом и средней прочностью (вернее силой сцепления) контактов между частицами.
Для изучения механизма процессов разрушения и образования коагуляционных структур при воздействии вибрации и обоснования параметров вибрации в сочетании с ПАВ необходимо, чтобы методы определения реологических характеристик удовлетворяли следующим условиям:
1. Возможность изучения процессов деформации систем в широком диапазоне изменения градиентов скоростей ε и напряжений непрерывного сдвига P при воздействии на эти системы вибрационного поля с различными частотами и амплитудами. Выполнение этого условия необходимо для установления закономерностей деформации с различной скоростью дисперсных структур, разрушенных вибрацией до разного уровня. Это условие является определяющим для оценки эффективности вибрации реологическими методами при осуществлении технологических процессов.
2. Возможность изучения структурно-механических свойств вибрируемых систем как при изменении их объема под действием внешних сил, так и при поддержании с помощью вибрации постоянной, но различной при разных режимах вибрации плотности (пористости) слоя дисперсного материала в процессе его перемещения относительно вибрирующей поверхности. Выполнение этого условия необходимо при изучении процесса уплотнения дисперсных структур, их смешивания и транспортирования.
3. Возможность изучения кинетики разрушения коагуляционных структур до равновесного состояния и тиксотропного восстановления после прекращения вибрации в покое или в потоке (в процессе сдвиговой деформации). Это необходимо для сравнительной оценки эффективности различных по частоте, амплитуде и форме колебаний режимов вибрации.
4. Возможность создания и изучения влияния на структурномеханические свойства систем различных форм вибровоздействия (гармонической, ударной и поличастотной, получаемой синтезом различных по частотам гармонических колебаний) с широким диапазоном изменения частот, амплитуд. Только при выполнении этого условия возможно экспериментальное определение оптимальных режимов вибровоздействий.
5. Возможность исследования элементарных актов процесса разрушения структуры за один период колебаний источника вибровозбуждения. Данное условие необходимо для установления механизма разрушения структур при вибрации в сочетании с введением добавок ПАВ.
6. Возможность изучения реологических характеристик систем при вибрации в широком диапазоне изменения эффективных реологических констант (с перепадом вязкости на 8—10 порядков).
Естественно, что для комплексного и всестороннего исследования воздействия вибрации на структурированные дисперсные системы необходима серия методов и приборов, каждый из которых смог бы обеспечить выполнение одного из перечисленных выше условий или их совокупности.
В настоящее время разработаны методы и приборы для количественного изучения структурно-механических свойств систем, которые можно подразделить на следующие три группы.
Первая группа включает методы, основанные на измерении кинетики погружения сферического тела под постоянной нагрузкой в измеряемую структурированную систему. Для измерения прочностных характеристик системы используются пластометры и пенетрометры.
Вторая группа охватывает методы, основанные на определении напряжения сдвига внутри системы при сохранении постоянных поверхностей соприкосновения прибора с системой. Эти методы нашли наибольшее распространение, так как позволяют получать абсолютные значения основной реологической характеристики (вязкости системы) с помощью ротационных приборов с коаксиальными цилиндрами: с продольным их перемещением и с использованием вращательного движения.
Наиболее совершенными приборами являются современные ротационные вискозиметры, позволяющие измерять реологические характеристики в процессе деформирования структуры дисперсных систем с диапазоном изменения вязкости на 8—10 порядков.
К третьей группе относятся методы, основанные на извлечении рабочей части прибора из исследуемой системы. Приборы данной группы используются при изучении прочностных и вязкостных характеристик дисперсных систем. Наибольшее распространение получил прибор с тангенциальным смещением пластин (усовершенствованный прибор Вейлера—Ребиндера).
Подробное описание приборов для исследования структурномеханических свойств дисперсных систем приведено в книге одного из авторов.
В большинстве рассматриваемых в данной книге приборов предусмотрена возможность изучения структурно-механических свойств в условиях сдвиговых деформаций как при вибрации, так и без нее. Это необходимо для определения степени снижения эффективных напряжений сдвига, вязкости и других характеристик при наложении на деформируемую систему вибрации и особенностей тиксотропного восстановления ее в потоке по окончании вибрации.
Следует отметить, что указанные выше методы особенно целесообразно использовать при изучении кинетики изменения дифференциальных характеристик возникающих пространственных структур: прочности, плотности и размера отдельных элементов структуры.
Наряду с интегральными и дифференциальными структурно-механическими характеристиками важное значение имеет комплекс методов определения кинетики изменения однородности структур — основной характеристики качества пищевых полуфабрикатов и продуктов.