Реологические свойства материалов - РЕОЛОГИЯ

Если псевдопластичное и дилатантное тела имеют предельное напряжение сдвига, то на рис. Выделяют еще группу систем с переменными во времени свойствами: Материалы, состояние течения которых во времени является противоположным тому, какое дают тиксотропные системы, называют антитиксотропными.

При расчете технологических процессов тиксотропные свойства перерабатываемых пищевых сред учитывают в момент пуска оборудования после продолжительного выстоя, а реопексные — после интенсивного сдвига. Исключение составляет кривая течения Бингамова тела, которая выходит в прямую при высоких напряжениях градиентах скоростизначительно превышающих предельное напряжение сдвига.

Показатель степени — индекс течения — в уравнении 1. Если эффективную вязкость вычислить по уравнению Ньютона 1. Для удобства преобразований, как принято выше формулы 1. Таким образом, изменение эффективной вязкости в зависимости от скорости деформации в логарифмических шкалах изображается прямой линией, угол наклона которой определяется темпом разрушения структуры.

При рассмотрении графиков б и в рис. Логарифмы числовых значений величин равны нулю, когда сами величины равны единице. Поэтому на графиках рис. Михайлов делят реологические тела на две основные группы: Если истинно вязкие жидкости характеризуются постоянным значением вязкости, то структурированные жидкости определяются зависимостью эффективной вязкости от действующего напряжения и двумя областями напряжений с постоянным значением вязкости: Истинно пластические тела характеризуются наличием истинного предела текучести, совпадающего с пределом упругости, то есть таким предельным напряжением сдвига, ниже которого экспериментально никакого течения не обнаруживается.

К твердообразным относятся упруго-пластичные, условно-пластичные, упруго-хрупкие и эластично-хрупкие, которые отличаются от истинно пластичных отсутствием истинно упругой области, обладающие статическим и динамическим предельным напряжением сдвига.

Это характерно для твердообразных систем. Если зоны упругих деформаций не наблюдается, то системы относят к жидкообразным, то есть к необладающим упругостью формы. Эффективная вязкость, как видно из рис.

Эти изменения описываются степенью разрушения структурыкоторая показывает, какая часть структурной сетки от первоначального состояния разрушилась при данном напряжении сдвига.

Для вычисления этой величины П. Ребиндер предлагает следующую зависимость:. Жидкообразные системы имеют аналогичные свойства. Эти характеристики показаны на рис. В ряде случаев при исследовании и расчете конкретных явлений оказывается возможным игнорировать одни существенные свойства тел и, напротив, учитывать. Важное значение для характеристики дисперсных систем имеют модули упругости и периоды релаксации.

Периоды релаксации могут быть определены и для случая осевого или объемного деформирования продукта, для этого могут быть использованы уравнение 1.

Реологические свойства материалов

Релаксационные характеристики и модуль упругости при объемном и осевом растяжении — сжатии нередко описываются в различных комбинациях теми же уравнениями и моделями, которые используют для изучения сдвиговых свойств см. В связи с этим компрессионные характеристики в этом разделе специально не рассмотрены. При обработке экспериментальных данных часто не удается всю кривую течения описать одним уравнением, тогда реологические характеристики вычисляют для определенных интервалов напряжений или деформаций.

Для вычисления значений величин структурно-механических характеристик при сдвиговых и нормальных деформациях по экспериментальным данным строят основные реологические зависимости: Существенный интерес для реологии представляют продукты, характеристики течения которых зависят от длительности воздействия напряжения: По своему поведению они взаимно противоположны, так же как взаимно противоположны псевдопластичные и дилатантные.

У псевдопластичных и дилатантных систем изменение эффективной вязкости с увеличением градиента скорости происходит достаточно быстро и влияние продолжительности деформирования на вязкость не может быть обнаружено при обычных измерениях. Уменьшение эффективной вязкости псевдопластичных систем обусловлено в основном разрушением структурной сетки агрегатов частиц и ориентацией частиц вдоль вектора скорости. При проектировании оборудования для переработки и транспортирования пищевых масс необходимо как можно более полно знать реологические свойства, в том числе тиксотропные.

В настоящее время известно несколько методов исследования тиксотропных свойств дисперсных систем. По методу Грин-Вельтмана вычисляется пластическая вязкость до и после разрушения структуры. Их соотношение и является характеристикой структурообразовательных процессов. Метод Павловского основан на измерении изменения вязкости при постоянной скорости вращения ротора вискозиметра. Этим методом определяется только часть тиксотропных свойств.

Метод Дохерти-Харда основан на измерениях при минимальной и максимальной скоростях, причем принято, что структура материала в первом случае не разрушена, а во втором полностью разрушена. Время покоя увеличивается от измерения к измерению, и максимальное напряжение вычисляется как функция времени покоя. Метод предельной скорости по Остерлею основан на том, что может наступить состояние равновесия между механическими силами разрушения и специфическими силами восстановления структуры.

Реологические свойства материалов

При измерении полностью разрушают структуру исследуемого вещества и оставляют его в покое до тех пор, пока не восстановится структура. Затем ступенями повышают скорость до такого значения, при котором разрушение и восстановление структуры достигают равновесия.

Одним из наиболее точных методов исследования процессов структурообразования и тиксотропных явлений, по мнению А. Рабинерсона, является метод ротационной вискозиметрии. Для изучения природы тиксотропных изменений необходимо иметь данные, характеризующие свойства вещества в двух состояниях: Прейс-Джонс также утверждал, что тиксотропия не может быть определена по одной кривой течения.

Отсюда следует, что необходимо наличие двух кривых: Тиксотропным системам присущи восстановление структуры после разрушения и непрерывное ее разрушение до определенного предела при деформировании рис.

Реопексные системы способны структурироваться, то есть образовывать контакты между частицами в результате ориентации или слабой турбулизации при механическом воздействии с небольшими градиентами скорости рис. По сравнению с тиксотропными они встречаются редко. Если за основу принять график на рис. Тогда соответственно на рис. Наглядное представление о виде течения продуктов дают точки одинаковой конфигурации, нанесенные на рис. При этом следует иметь в виду, что кривые на рис.

Особенностью многих псевдопластичных и пластично-вязких структурированных дисперсных систем коагуляционного типа является наличие петель гистерезиса при нагрузке и разгрузке рис. Материал начинает течь, когда напряжение достигает величины предельного или условно-предельного.

В дальнейшем, с увеличением напряжения, повышается градиент скорости и разрушается структурная сетка, разрушаются агрегаты и ориентируются частицы. Каждому значению градиента скорости соответствует определенное равновесное состояние системы, которое достигается при медленных изменениях градиента скорости. В действительности опыт протекает быстро, возможны местные накопления деформаций или напряжений, которые не успевают релаксировать при переходе к следующему измерению, когда накладываются новые напряжения.

Неоднократное прохождение зоны исследуемых напряжений в прямом и обратном направлениях позволяет добиться равновесного состояния продукта, при котором петли гистерезиса практически исчезают. Для тиксотропных псевдопластичных систем каждая последующая кривая располагается левее и выше предыдущей рис. Она складывется из мощности ньютоновского течения и мощности, требующейся при том же градиенте скорости для достижения данной степени разрушения структуры.

Мощность, пропорциональная площади между двумя кривыми, образующими петли гистерезиса рис. Компрессионные свойства проявляются при всестороннем или осевом сжатии продукта в замкнутом объеме. Используются компрессионные свойства для расчета рабочих органов машин и аппаратов и для оценки качества продукта, например при растяжении-сжатии.

К ним относятся коэффициент бокового давления, коэффициент Пуассона, модули упругости и др. Кроме того, ряд приведенных выше моделей — Максвелла, Кельвина и др. В ряде машин волчки, дозаторы, поршневые шприцы, трубопроводы используемый материал находится при повышенных давлениях, что изменяет их первоначальный объем и плотность. Эти явления можно рассчитать, основываясь на объемных свойствах и кинетике их изменения. Для исследования их пользуются цилиндром с одним или двумя плотно входящими в него поршнями.

Плотность, как одно из компрессионных свойств, является существенной характеристикой при расчете ряда машин и аппаратов и при оценке качества продукта. Плотность смеси из нескольких компонентов, когда они не вступают во взаимодействие, при котором меняется состав или объем смеси, можно вычислить по зависимости:.

Поверхностные свойства занимают особое место среди структурно-механических свойств адгезия, липкость, коэффициент трения. Они характеризуют усилие взаимодействия между поверхностями конструкционного материала и продуктом при нормальном отрыве или сдвиге уравнение 1.

При этом для большинства продуктов пищевой промышленности липкость адгезия обусловливает величину усилия внешнего трения уравнение 1.

Под липкостью понимается свойство продукта образовывать связи с твердой поверхностью. Эти связи имеют молекулярный характер, следовательно, их количество зависит от площади действительного молекулярного контакта, которая в свою очередь определяется пластичностью вязкостью продукта, продолжительностью контактирования, давлением прижатия, толщиной слоя и т.

В процессе технологической обработки пищевые материалы находятся в контакте с поверхностями различных рабочих органов машин, транспортирующих устройств и т. Характер течения массы по каналам формующих машин разных типов шнековых, валковых, шестеренныха также по трубопроводам определяется как ее структурно-механическими свойствами, так и силами сцепления с поверхностями контакта. Отрыв материала от поверхности может носить адгезионный или когезионный характер.

В первом случае разрыв происходит между материалом и поверхностью, во втором — по материалу. Возможен и третий — промежуточный или смешанный адгезионно-когезионный вид отрыва, когда поверхность отрыва имеет участки, покрытые и непокрытые материалом. При смешанном виде отрыва, как и при когезионном, измерить силы адгезии в чистом виде также не удается.

Однако именно при когезионном и смешанном виде отрыва силы адгезии могут иметь значительную величину, влиять на процесс обработки материала. В этих случах, поскольку не удается определить чисто адгезионные силы, правильнее будет называть их силами прилипании или липкостью материала. Адгезия зависит от ряда технологических характеристик: Свойством липкости в значительной степени обладают многие пищевые продукты сливочное масло, сыр, вареная колбаса и др.

Излишняя липкость нарушает эксплуатацию механизированных процессов и поточных линий, так как при обработке делении, формовании сырье, полуфабрикаты или массы прилипают к рабочим частям машин и транспортных механизмов.

При разрезании или разжевывании готовых продуктов сыра и других они прилипают к лезвию ножа, крошатся или ломаются, липнут к зубам и небу. Однако и недостаточная липкость в ряде случаев отрицательно сказывается на такие процессы обработки сырья и полуфабрикатов, как их перемешивание, формование, выжимание и др.

Для объяснения адгезии существует несколько теорий: Наиболее часто адгезионные явления объясняют диффузионной и электрической теориями. Наиболее простым и широко применяемым способом изменения реологических свойств объема и поверхности продуктов является регулирование концентрации сухого вещества соотношение сухого вещества и влаги или жидких жиров в их структуре.

Для гидрофильных структур большое значение имеет содержание в них водорастворимых полимеров и сахаров. Для жидкообразных структур увеличение до известных пределов содержания сухого вещества повышает давление прилипания.