Структурно-механические (реологические) свойства продукции

Структурно-механические (реологические) свойства (CMC) характеризуют поведение продукта в условиях напряженного состояния и позволяют связать между собой напряжения, деформации или скорости деформации в процессе приложения усилий. Они не являются «чистыми» константами материала и существенно зависят от формы и размера тела, скорости нагружения, состояния поверхности, влияния окружающей среды, температуры, структуры и множества других факторов.

Наука, занимающаяся изучением деформации и течением различных тел, называется реологией, предметом которой является исследование различных видов деформации в зависимости от сопровождающих их напряжений.

Большая часть пищевых продуктов, исследуемых реологией, представляет собой дисперсные системы, состоящие из двух и более фаз. С точки зрения реологии дисперсные системы можно разделить на золи, которые ведут себя как жидкости, и на гели, обладающие свойствами твердых тел. В золях сплошная фаза, или дисперсионная среда, является жидкостью; дисперсная фаза может быть жидкой в случае эмульсии или твердой в случае суспензии.

К основным реологическим (структурно-механическим) свойствам материалов (пищевых продуктов) относятся: упругость, пластичность, вязкость и прочность.

Под упругостью понимается способность тела после деформирования полностью восстанавливать свою первоначальную форму или объем, то есть работа деформирования равна работе восстановления. Упругость тела характеризуется модулем упругости.

Пластичность — способность тела под действием внешних сил необратимо деформироваться без нарушения сплошности. Пластическое течение начинается при величине напряжения, равной пределу текучести. Для характеристики сдвиговых деформаций используется понятие «предельное напряжение сдвига». Оно характеризует прочность системы.

Вязкость — способность тела оказывать сопротивление относительному смещению его слоев. Основным свойством жидкостей является вязкость.

Вязкое течение реализуется в истинно вязких, ньютоновских жидкостях при любых, сколь угодно малых напряжениях сдвига.

При течении неньютоновских (аномально вязких) жидкостей вязкость не остается величиной постоянной: она зависит от напряжения сдвига и градиента скорости. Тогда пользуются понятием «эффективная вязкость», которая вычисляется (по зависимости) для фиксированных значений напряжения и градиента скорости.

Эффективная вязкость является итоговой характеристикой, которая описывает равновесное состояние между процессами восстановления и разрушения структуры в установившемся потоке. Она является условной характеристикой, измеряемой у высоковязких неньютоновских систем при определенных значениях скорости и напряжения сдвига.

Эффективная вязкость неньютоновских жидкостей состоит из двух компонентов:

1) ньютоновской вязкости, 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.

Следовательно, эффективная вязкость является реологической характеристикой, которая учитывает внутреннее трение и структурно- динамическую равновесную компоненту.

Прочностью называют сопротивление тела действию внешних сил, которые приводят тела к течению или разрушению.

У твердых пищевых продуктов, которые обладают как упругими, так и пластичными и вязкими свойствами, прочность зависит от скорости деформации.

Минимальной прочностью обладают тела при статическом или квазистатическом нагружении, при котором вязкоупругие напряжения полностью релаксируют (рассеиваются). Разрушение наступает только после превышения предела текучести и развития пластичной деформации. Максимальной прочности твердые пищевые продукты достигают при крайне высокой скорости нагружения. В этом случае вязкоупругие напряжения практически не релаксируют, предел прочности наступает непосредственно за пределом текучести, пластичная деформация отсутствует, поэтому наблюдается хрупкий излом.

Кроме основных CMC на качество пищевых продуктов, а следовательно, и на качество продукции общественного питания оказывают влияние и ряд вспомогательных физико-механических свойств, таких как твердость, мягкость, хрупкость, когезия, адгезия, липкость.

Твердость — это комплексное свойство твердых пищевых продуктов оказывать сопротивление проникновению другого тела вследствие необратимых (упругой и вязкой) деформаций. При негомогенном структурном строении продуктов микротвердость в различных точках неодинакова. Вследствие этого прямой зависимости между твердостью и прочностью не существует.

Твердость нельзя выразить как физическую величину с однозначной размерностью. Она является некоторым техническим параметром, который выражается в относительных величинах в зависимости от метода определения. Коэффициент твердости рассчитывают по величине силы и геометрическим параметрам остаточной деформации (шарового сегмента, глубины внедрения и т.д.).

Мягкость — свойство, противоположное твердости.

Хрупкость — свойство твердых тел достигать разрушения без пластичной деформации.

Когезия — сопротивление тела разрушению, связанному с преодолением сил взаимодействия между атомами и молекулами на поверхности раздела. Под когезией понимается сцепление частиц внутри рассматриваемого тела (продукта). Между работой когезии и работой хрупкого разрушения существует прямая зависимость.

Адгезия — свойство, которое основывается на взаимодействии двух различных тел на границе раздела фаз и вызывает сцепление тел. Адгезия (прилипание) — это слипание поверхностей двух разнородных материалов.

Величину адгезии двух тел принято характеризовать силой отрыва; удельной работой отрыва, отнесенной к единице площади; временем, необходимым для нарушения связи между субстратом и адгезивом под действием определенной нагрузки.

Для пищевых продуктов характерны разные виды отрыва: адгезионный, когезионный и смешанный — адгезионно-когезионный.

Липкость — свойство пограничного слоя вязких или пластичных материалов оказывать сопротивление разделению находящихся в контакте поверхностей. Оно основывается на адгезии материалов на поверхностях раздела и когезии самого испытуемого материала. Если силы когезии больше, чем силы адгезии, разделение происходит в результате преодоления сил адгезии и наоборот. Если обе силы приблизительно равны, разделение происходит благодаря частичному преодолению сил когезии и адгезии.

По виду приложения усилия или напряжения к продукту структурно-механические (реологические) свойства можно разделить на три связанные между собой группы.

Сдвиговые свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него сдвиговых, касательных напряжений. Сдвиговые свойства представляют собой основную группу свойств, которые широко используются как для расчета различных процессов движения в рабочих органах машин, так и для оценки качества пищевых продуктов. В связи с этим наибольшее распространение получили способы классификации пищевых и других реологических тел по сдвиговым характеристикам (модулю упругости, вязкости и др.).

Компрессионные свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него нормальных напряжений в замкнутой форме, между двумя пластинами или при каком-либо другом способе растяжения — сжатия образца продукта. Эти свойства используются для расчета рабочих органов машин и аппаратов и для оценки качества продукта. К ним относятся модули упругости, пластичность и др.

Поверхностные свойства х арактеризуют поведение поверхности продукта на границе раздела с другим твердым материалом при воздействии нормальных (адгезия и мягкость) и касательных (внешнее трение) напряжений. Они характеризуют усилие взаимодействия между поверхностями конструкционного материала и продуктом при нормальном отрыве или сдвиге.

Классификация пищевых продуктов по реологическим (структурно- механическим) свойствам приведена в табл. 2.1.

Дата добавления: 2014-01-20