Специфика деформирования коагуляционных структур (Т-Ж) при вибрации

18.06.2015

Ранее были рассмотрены закономерности структурообразования пищевых дисперсных систем, состоящих из твердых (квазитвердых) и жидких фаз. Основные структурно-механические свойства для таких систем изменяются главным образом в условиях сдвиговой деформации. Поэтому сдвиговая деформация двухфазных коагуляционных структур (Т—Ж) может рассматриваться как приемлемый способ изменения их реологического состояния и направленного регулирования их структурно-механических свойств.
Ранее была установлена необходимость использования вибрационных воздействий в процессе сдвиговой деформации высоконаполненных твердой фазой (φ>φс) систем с целью предотвращения разрыва сплошности и создания условий для предельного разрушения коагуляционной структуры (ε→εm).
В работах одного из авторов показано, что при воздействии вибрационного поля на деформируемую коагуляционную структуру можно выделить несколько характерных периодов изменения величины напряжения непрерывной сдвиговой деформации (рис. 64).

Специфика деформирования коагуляционных структур (Т-Ж) при вибрации

Описание этих периодов, также как и закономерностей разрушения при вибрации и тиксотропного восстановления после прекращения ее действия существенно важно для регулирования ряда технологических процессов переработки вязкопластичных или упруговязкопластичных пищевых дисперсных систем по реологическим характеристикам.
Речь идет о таких процессах как перемешивание, формование, в том числе экструзионное, резание пищевых масс и т. п., осуществляемых как в отсутствие вибрации, так и в сочетании с ней.
Начальный период процесса деформации без вибрации — обычный для твердообразных коагуляционных структур и характеризуется ростом P с ростом деформации до максимального значения P=Pmax. последующим спадом P и установлением постоянного уровня Ps, не зависящего от величины е. Этот уровень, как уже отмечалось, соответствует равновесному разрушению структуры в ламинарной области стационарного потока и характеризуется постоянным значением эффективной вязкости.
С момента подведения вибрации (см. рис. 64, точка А) наблюдается спад напряжения сдвига и, следовательно, вязкости в потоке при сохраняющемся уровне скорости сдвига ε = const. Спад напряжения, соответствующий разрушению структуры вследствие воздействия вибрации, продолжается до установления нового равновесного уровня (P=Pv), который зависит от параметров вибрации и сохраняется постоянным до ее прекращения (см. рис. 64, точка В), затем происходит тиксотропное восстановление структуры в потоке (см. рис. 64, точка С) до установления равновесного уровня Ps. Таким образом, воздействия вибрационного поля как в периоде активного разрушения структуры в деформируемой системе, так и в установившемся равновесном потоке с постоянным уровнем вязкости определяется величиной Р(τ) или η(τ) при ε = const и по их изменению, т. е. через реологические параметры процесса сдвиговой деформации. Любое изменение этих параметров после установления стационарного потока при ε = const — результат воздействия вибрационного поля или восстановления структуры при прекращении вибрации.
Для характеристики действия вибрационного поля, выяснения механизма разрушения вибрацией деформируемой системы и тиксотропного восстановления в потоке структуры после прекращения вибрации (или при уменьшении ее интенсивности) необходимо определить реологические параметры для описания каждого из зафиксированных периодов (см. рис. 64):
I — период неравновесного разрушения структуры с понижением эффективной вязкости и напряжения сдвига;
II — течение при установившемся равновесном для заданных параметров вибрации уровне вязкости и напряжения сдвига;
III — период тиксотропного восстановления структуры в потоке после прекращения воздействия вибрации.
Параметры для описания I периода:
1. Параметры определяющие длительность, глубину, степень и скорость разрушения деформируемой структуры при ε = const при воздействии вибрационного поля:
θn — период разрушения (истинный, полный);
θu — условный период разрушения;
Δη = η1—ηv, ΔP = P1—Pv — глубина разрушения структуры;
iη = η1/ηv, ip = P1/Pv — степень разрушения деформируемой структуры при воздействии вибрации.
В приведенных соотношениях η1, Р1 — равновесные уровни вязкости и напряжения сдвига в установившемся потоке при постоянной скорости сдвига ε = const; ηv и Pv — новые равновесные уровни вязкости и напряжения сдвига при ε1 = const в условиях воздействия вибрации; Qn=ΔР/θn (или Δη/θn) — параметр, характеризующий среднюю скорость процесса разрушения структуры; Qu=ΔР/θu — параметр, характеризующий максимальную скорость разрушения структуры; QnT=ΔηT/θn — средняя глубина разрушения за период колебаний; QuT=ΔηT/θn — максимальная глубина разрушения за период колебаний.
Параметры системы в период установившегося равновесного уровня (II период):
i1 = η0/ηv; imax = η0/ηm — наибольшая разница в равновесных уровнях (наибольшая степень разрушения);
i2 = ηv/ηm — степень приближения состояния системы к предельному разрушению.
Параметры процесса тиксотропного восстановления структурированной деформируемой системы после прекращения вибрации (III период):
Q'n=ΔηT/θ'n — средняя скорость тиксотропного восстановления структуры в потоке после прекращения вибрации, характеризующая среднюю скорость этого процесса за период времени θ'n; Q'u = Δη/θ'u — максимальная скорость тиксотропного восстановления структуры в потоке после прекращения вибрации, характеризующая максимальную скорость тиксотропии, т. е. скорость возрастания эффективной вязкости.
Как видно из рис. 65, процесс разрушения структуры при воздействии вибрации на деформируемую структурированную систему с постоянным градиентом скорости в стационарном ламинарном потоке может быть разделен на три области: область линейной или близкой к ней зависимости Р(τ) или Р(ε), характеризующая весьма интенсивное разрушение; область плавного нелинейного снижения P с экспоненциальной зависимостью P (ε) или Р(τ); и область, характеризуемая незначительным близким к линейному уменьшением P во времени и заканчивающаяся стабилизацией напряжения сдвига и достижением постоянного равновесного уровня вязкости.
Если процесс изменения реологических характеристик во времени при воздействии на систему вибрационного поля рассматривать как сочетание разрыва и восстановления связей между частицами твердой фазы, разделенными прослойкой жидкости, то каждая из трех областей характеризуется изменением соотношения разрушения и тиксотропного восстановления структуры.
В начале с момента действия вибрации (см. рис. 65, точка А) процесс разрушения протекает без заметного влияния тиксотропии, и этим, в частности, объясняется линейность начального участка кривой. При переходе во вторую область число разрушаемых связей между частицами, определяющее степень снижения напряжения сдвига, возрастает, вместе с тем растет и число тиксотропно восстанавливаемых в потоке связей, что и предопределяет нелинейность снижения Р(τ), и, наконец, при установлении динамического равновесия между числом разрушаемых я восстанавливаемых связей в каждый фиксированный Момент текущей координаты времени величина P(τ)=сonst.
Специфика деформирования коагуляционных структур (Т-Ж) при вибрации

В этой же работе установлено, что ни частота, ни амплитуда гармонических колебаний в отдельности не определяют степень разрушения структуры и уровень эффективной вязкости. Ускорение вибрации источника колебаний однозначно характеризует степень разрушения только при постоянной частоте вибрации (ε = 0,013 с-1), рост ускорения в этом случае (вследствие увеличения амплитуды) сопровождается закономерным снижением напряжения сдвига и соответственно эффективной вязкости.
Однако уже при небольшом изменении частоты колебаний источника вибровозбуждения, но при одном и том же ускорении вибрации aw2lg напряжение сдвига и эффективная вязкость различны. Из этого следует, что ускорение вибрации для изучаемого типа реологических систем (двухфазные тиксотропные системы) не может однозначно определить степень разрушения структуры при изменении амплитудно-частотных параметров вибрации.
Из всех анализируемых параметров вибрационного поля изменению интенсивности вибрации закономерно соответствует изменение уровня эффективной вязкости для всего диапазона частот, амплитуд и их сочетаний.
Специфика деформирования коагуляционных структур (Т-Ж) при вибрации

Данные, приведенные на рис. 66, показывают, что в изученном диапазоне амплитудно-частотных характеристик (при постоянном ε) изменение напряжения сдвига, эффективной вязкости не выходит за пределы 5% и в этом интервале параметров вибрационного поля J=a2f3 практически является инвариантной характеристикой процесса.
Эта важная закономерность может быть объяснена следующим образом. Интенсивность вибрации J = a2f3 характеризует мощность источника вибровозбуждения, подводимую к единице колеблющейся массы, и является энергетической характеристикой процесса.
В основе процесса разрушения двухфазных коагуляционных структур лежит непрерывный разрыв связей, возникающих между частицами твердой дисперсной фазы через прослойки дисперсионной среды.
Увеличение числа некомпенсированных связей, т. е. углубление разрушения и снижение эффективной вязкости, — следствие возрастания энергии, поглощаемой системой. Соответственно должна расти необходимая для поддержания заданной степени разрушения подводимая энергия вибрационного поля и его мощность. По существу, затраты энергии вибрационного поля на поддержание во времени заданной постоянной равновесной степени разрушения структуры, характеризующейся постоянным уровнем эффективной вязкости (с учетом тепловых потерь), эквивалентны потенциальной энергии некомпенсированных (разорванных) связей между частицами твердой фазы. Эта поверхностная энергия проявляется в спонтанном полном тиксотропном восстановлении; структуры, разрушенной вибрацией, при ее прекращении или частичном восстановлении до нового равновесного уровня при уменьшении интенсивности вибрации в процессе механической обработки.
В связи с этим параметры, характеризующие процесс разрушения структуры, являются связующим звеном для установления взаимозависимости между подводимой и поглощаемой системой энергией вибрационного поля.
При этом истинный период разрушения θn возрастает с ростом J и глубины разрушения структуры в вибрационном поле.
Характерно, однако, что средняя скорость разрушения структуры Qn в единицу времени, определяемая как отношение Δη/θn или ΔP/θu, закономерно растет с ростом J и соответственно обратная величина θn/Δη, т.е. период разрушения, отнесенный к степени разрушения структуры, уменьшается.
Однако при больших значениях е, т. е. при более глубоком разрушении структуры деформацией непрерывного сдвига, θn при вибрации с ростом J может снижаться. Объясняется такое явление тем, что поддерживаемая при больших градиентах скорости непрерывного сдвигового деформирования степень разрушения структуры в потоке возрастает, число сохранившихся связей уменьшается, а продолжительность достижения равновесного уровня при вибрации в соответствии с уменьшением периода релаксации вязкого течения в пределе на 8—10 порядков падает.
Специфика деформирования коагуляционных структур (Т-Ж) при вибрации

В отличие от θn период разрушения θu в первой близкой к линейной области разрушения структуры с ростом интенсивности вибрации закономерно падает и принимает минимальные значения при J=Jmax. Соответственно с ростом J резко растет и величина Qu (рис. 67, 68).
По значениям средней скорости разрушения структуры под действием вибрации рассчитывается величина удельной средней глубины разрушения за период колебаний QnT. Эта характеристика процесса разрушения структуры позволяет сравнить эффективность различных параметров вибрации только при одной частоте. С изменением частоты колебаний и соответственно периода при меньшей интенсивности вибрации, но большем периоде колебаний удельная средняя глубина разрушения может быть большей, чем при высокоинтенсивной вибрации с малым периодом.
В этом смысле характеристики скорости разрушения более общие и позволяют сравнивать влияние вибрации вне зависимости от различий в амплитудно-частотных характеристиках, так как определяют степень разрушения структуры в единицу времени.
Полная тиксотропная обратимость коагуляционных структур в разнообразных пищевых массах определяется тем, что контакты частиц в дисперсионной среде образуются по лиофобным участкам поверхности через тончайшие прослойки дисперсионной среды, фиксированная толщина которых определяется минимальным уровнем энергии Гиббса системы. Наличие адсорбционных прослоек дисперсионной среды определяет возможность установления равновесной степени разрушения структуры и ее течения с постоянным уровнем вязкости при постоянном градиенте скорости сдвига. При этом постоянный уровень вязкости, соответствующий вполне определенной степени разрушения структуры, устанавливается в условиях стационарного потока в ламинарной области в течение длительного времени деформирования системы при данной плотности подводимой к ней механической энергии.
Для изучения влияния вибрации на тиксотропные свойства деформируемой системы исследования проводили на ротационном вискозиметре с коаксиальными цилиндрами, устанавливаемыми на электродинамическом вибростенде. В качестве объекта исследований была использована классическая модель коагуляционной структуры — высоконаполненная паста (В/Т=2, S=70*10в3 м2/кг, где В —вода, Т — дисперсная фаза, S — удельная поверхность твердой фазы).
Исследуемая паста деформировалась при вращении внутреннего цилиндра с постоянной скоростью сдвига ε = 0,3 с-1. Установившееся стационарное течение пасты при постоянном уровне вязкости, равной 1470 Па*с, с достижением равновесного для этого градиента скорости разрушения структуры обеспечивалось через 5 мин (рис. 69).
Специфика деформирования коагуляционных структур (Т-Ж) при вибрации

После установления стационарного течения при продолжающейся деформации в зазоре в условиях чистого однородного сдвига система подвергалась воздействию вибрации с гармоническими колебаниями с частотами (см. рис. 69) 30 Гц, кривые (1, 5); 50, кривая (2); 100, кривая (3); 150 Гц, кривая (4) и амплитудой 0,5 мм. При этом происходило быстрое разрушение структуры до равновесного при заданной вибрации уровня. Важно отметить, что равновесный уровень постоянной вязкости при вибрации достигался весьма быстро — в течение 10 с (см. рис. 69).
Наибольший интерес представляет характер тиксотропного восстановления в потоке структуры, разрушенной при вибрации до уровня вязкости, меньшего, чем равновесный уровень разрушения в стационарном ламинарном потоке в условиях чистого однородного сдвига до приложения вибрации.
При прекращении вибрации (см. рис. 69, зона IIIв) происходит быстрое тиксотропное восстановление структуры деформируемой высоковязкой пасты в потоке с постоянным ε до уровня, более высокого, чем равновесный уровень разрушения структуры в потоке перед приложением вибрации.
По мере увеличения интенсивности вибрации (с ростом частоты) равновесный уровень вязкости снижается, а после прекращения вибрации степень превышения равновесного уровня (до вибрации) возрастает, вместе с тем возрастает и скорость восстановления. Максимальное значение вязкости, достигнутое после прекращения вибрации, в 1,5 раза превосходит равновесный уровень вязкости в стационарном потоке до вибрации.
При последующей натекающей деформации (после прекращения вибрации) происходит снижение вязкости до исходного равновесного уровня. Этот равновесный уровень вязкости в потоке равен равновесному уровню до воздействия на систему вибрационного поля.
Таким образом, можно выделить ряд областей, характеризующих изменение реологических свойств коагуляционной структуры в стационарном потоке при сдвиговой деформации (см. рис. 69): I — область деформации до разрушения; II — область разрушения в потоке при натекающей деформации; IIIa — область активного разрушения деформируемой структуры при наложении вибрационного поля; 111б — область равновесной степени разрушения структуры при вибрации; IIIe — область тиксотропного восстановления и упрочнения структуры в потоке после прекращения вибрации; IV — область разрушения в потоке упрочненной структуры; V — область установления стационарного течения с постоянным уровнем вязкости.
Описанная выше особенность проявления тиксотропных свойств высоковязких паст, образующих коагуляционную структуру, может быть объяснена следующим образом. При достижении равновесной степени разрушения структуры в потоке и течении ее при заданном градиенте с постоянной вязкостью происходит равновесное разрушение поперечных к направлению потока связей и ориентация анизометричных частиц вдоль потока.
Чем выше скорость сдвига, тем меньшее число поперечных связей восстанавливается в потоке. Наложение на систему вибрационного поля сопровождается более глубоким разрушением структуры, но в то же время приводит к нарушению ориентации кинетических единиц течения, что уже само по себе является потенциальным фактором некоторого дополнительного возрастания вязкости после прекращения вибрации.
Наряду с этим вибрация приводит к тому, что вероятность столкновения частиц и преодоления энергетического барьера резко возрастает. При этом, так как поверхность частиц, образующих пространственную сетку коагуляционной структуры, в энергетическом отношении весьма неоднородна, при взаимном перемещении частиц при вибрации возрастает вероятность возникновения прочных связей по энергетически наиболее активным лиофобным участкам макромозаичной поверхности частиц. Этому процессу способствует повышение частоты и длительности вибрирования системы. После прекращения вибрации дезориентация частиц и образование прочных коагуляционных контактов по наиболее лиофобным участкам приводят к ускоренному тиксотропному восстановлению структуры и росту вязкости в потоке до уровня, превышающего равновесный до вибрации. Этот эффект проявляется тем сильнее, чем глубже разрушена структура системы вибрацией.
Для достижения равновесного уровня в потоке после прекращения вибрации, т. е. для установления ориентации, разрыва новых связей, необходимо время, существенно превышающее время установления равновесного разрушения при наложении вибрации или тиксотропного восстановления структуры после ее прекращения. Это время соизмеримо со временем достижения стационарного течения при деформации системы в состоянии покоя при длительной предварительной стабилизации системы (см, рис. 69, зоны IV, V).
Эффект «вибрационного упрочнения» структуры интересен тем, что он позволяет создавать структуры, устойчивые к импульсным механическим воздействиям, т. е. повысить агрегативную устойчивость систем, например, при той же вибрации, сохранив вместе с тем их текучесть при длительном сдвиговом деформировании.
Совершенно по-иному ведет себя та же система, но обработанная ПАВ [см. рис. 69, кривая 2]. При вибрации с частотой 50 Гц и амплитудой 0,5 мм [режим тот же, что для системы без ПАВ, см. рис. 69, кривая 1] паста разрушается за время τ=θn в 2 раза, меньше, а равновесный уровень ηv более чем на порядок ниже по сравнению с системой без ПАВ.
Тиксотропное восстановление структуры в потоке протекает со значительно меньшей скоростью (рост вязкости замедлен), а θn имеет наибольшее значение по сравнению с пастами без ПАВ. Полностью эффект временного упрочнения структуры в системах без ПАВ исчезает в потоке после вибрации. Таким образом, экранирование поверхности частиц монослоем ПАВ исключает проявление факторов, которые явились причиной ускоренного тиксотропного восстановления структуры в потоке и ее временного упрочнения.
Анализ процесса разрушения двухфазных коагуляционных структур показал, что существенно важно определить условия, соответствующие началу разрушения (уровень ηv≤η0) и предельному разрушению (ηv=ηm) структуры, и обосновать отвечающие этим условиям значения параметров подводимых к системе механических колебаний.
Условие ηv≤η0 определяет возможность осуществления конвективного массообмена (при деформации системы) и вместе с тем оно же определяет критические параметры вибрации, при которых система теряет структурную устойчивость.
Условие ηv≈ηm отвечает оптимальным параметрам воздействия, при которых становится возможным предельно однородное распределение фаз (например, при смешивании).
Приведенные выше данные вибрационного разрушения структуры указывают на принципиальную возможность достижения любой, в частности, предельной степени ее разрушения. Следовательно, увеличивая интенсивность механических колебаний, можно получить полную реологическую кривую течения не только в сравнительно узком диапазоне изменения эффективной вязкости, но и для коагуляционных структур с перепадом вязкости на несколько десятичных порядков.
Особенность полной реологической кривой течения системы при вибрации, как и полной реологической кривой, полученной при непрерывной сдвиговой деформации, состоит в том, что каждая точка этой кривой определяет равновесное состояние системы при вполне определенной плотности энергии механического воздействия.
Каждой точке полной реологической кривой системы при непрерывной сдвиговой деформации соответствует равновесное значение P=Ps при заданном ε = εi const, получаемое обычно из первичных реограмм по методике Р(ε) при ε = const.
Принципиальная важность исследований, приведенных в работе, состоит в том, что впервые были получены при вибрации полные реологические кривые течения с достижением наименьшего уровня вязкости (ηv=ηm) таких дисперсных систем (φ≥φс), деформация которых без воздействия вибрации сопровождается необратимым разрывом сплошности и для которых получение полных кривых течения по этой причине без вибрации было невозможно. Это означает, что в условиях вибрации становится возможным предельное разрушение высоконаполненных твердой фазой структур в процессах смешивания, уплотнения или формования (см. рис. 50, стадия IV) и вместе с тем полное реологическое описание высоконаполненных (φ≥φс) дисперсных систем. Из рассмотрения полных реологических кривых течения в условиях вибрации также следует, что мощность вибрационного поля, подводимого к системе, необходимая для предельного разрушения структуры, весьма велика и особенно резко возрастает с ростом φ.
Причина этого явления состоит прежде всего в том, что доля подводимой к дисперсной системе мощности вибрационного поля, расходуемой на разрушение структуры, непрерывно уменьшается по мере роста степени разрушения структуры, т. е. по мере приближения к предельному разрушению и уменьшения числа сохранившихся (неразрушенных) связей.
Однако существенным фактором, приводящим к необходимости резкого увеличения мощности вибрации для достижения предельного разрушения структуры, является также эффект «вибрационного упрочнения» структуры, т. е. образования в процессе разрушения новых упрочненных контактов между частицами преимущественно по лиофобным участкам их поверхности.
Этот эффект с успехом может быть использован при производстве различных видов пищевых продуктов, например для упрочнения структуры отформованных жгутов из конфетных масс после их формования методом экструзии.