Тема 3.4. : «Инструментальные методы исследования реологических свойств продукции»

План

1. Основные понятия реологии.

2. Реологические свойства.

Основные понятия реологии.

Основные понятия реологии – деформация, вязкость, упругость, прочность – применительно к пищевому сырью животного и рас-тительного происхождения. Кривые кинетики деформации. Виско-зиметрия. Способы определения вязкости пищевых объектов. Примеры определений. Виды вискозиметров и принципы их работы.

При изучении данного подраздела студентам рекомендуется повторить материал по изучавшимся ранее базовым дисциплинам, в частности классической механики и теории упругости.

При оценке качества пищевых продуктов большое значение уделяется их консистенции. Наряду с условными, субъективными методами оценки консистенции все чаще применяются структурно-механические, или реологические, методы.

Реология –сравнительно молодая наука,сформировавшаяся каксамостоятельная часть физико-химической механики. Она изучает течение и деформации различных веществ и материалов, широко используя при этом многие положения механики и теории упругости.

Все реальные тела способны деформироваться под воз-действием внешних сил, т. е. изменять свою форму и размеры.

Под деформацией понимают относительное смещение частиц тела, при котором не нарушается его непрерывность. Деформация называется упругой, если она исчезает после снятия нагрузки, и остаточной,если после снятия нагрузки она сохраняется.Величинаи характер деформации обусловлены свойствами материала тела, его формой и способом приложения внешних сил.

При деформировании тела возникают внутренние силы взаимодействия его отдельных частичек. Меру интенсивности этих внутренних сил называют напряжением.

После прекращения воздействия на тело внешних сил напряжения частично или полностью рассасываются вследствие теплового движения молекул и других элементов структуры. Процесс убывания напряжений во времени называется релаксацией. Время релаксации – важная структурно-механическая характеристика тела.

Реологические свойства.

К реологическим свойствам тела относятся вязкость, упругость, эластичность и прочность.

Вязкость,или внутреннее трение, –свойство газов,жидкостей

твердых тел, обусловливающее сопротивление относительному перемещению слоев (течению под действием внешних сил). Для твердых тел – это сопротивление развитию остаточных деформаций.

Упругость –способность тел сопротивляться изменению ихобъема и формы под действием внешних сил, т. е. способность тела восстанавливать свою форму после снятия нагрузки.

Эластичность –способность материала при незначительныхусилиях испытывать более или менее значительные упругие обратимые деформации без разрушения его структуры. Различие эластичности и упругости состоит в том, что упругость проявляется мгновенно, а эластичность – во времени.

Прочность – способность тела сопротивляться разрушению.Наряду с указанными терминами используют также понятия

пластичность –свойство тел необратимо деформироваться подвоздействием нагрузки и ползучесть – частный случай пластической деформации под действием постоянной нагрузки.

Все законы реологии разработаны для идеальных тел.

Известны три основные модели идеальных тел: идеально упругое тело; идеально пластичное тело; идеально вязкая, или ньютоновская, жидкость. Однако ни один из реальных пищевых материалов не может быть полностью уподоблен ни одному из указанных идеальных тел.

Чаще всего пищевые материалы соответствуют сложным мо-делям, представляющим собой комбинацию простых, т. е. являются или упругопластичными, или упруговязкими, или вязкопластичными телами. Причем в зависимости от условий (температуры, влажности, давления, способа и скорости приложения нагрузки) то одни, то другие свойства проявляются в большей или меньшей степени. Поэтому при изучении реологических свойств обязательно должны быть четко указаны условия испытаний, в противном случае полученные результаты будут несопоставимы.

Многие пищевые массы, помимо твердого и жидкого состояний, образуют структуры, которые по физическим свойствам занимают промежуточное положение. К ним относятся белковые

углеводные студни, суспензии разной концентрации (вплоть до паст), эмульсии и пены.

Наличие внутренней структуры придает таким системам определенные механические свойства – упругость, пластичность, вяз-кость, прочность, которые объективно характеризуют их консис-тенцию. Механические свойства зависят от природы входящих веществ и их соотношения, а также от сил взаимодействия между ними.

В соответствии с представлениями академика П.А. Ребиндера его школы принято различать два основных типа дисперсных структур – коагуляционную и конденсационно-кристаллизационную.

Коагуляционные структуры удерживаются вандерваальсовымисилами, действующими через жидкие прослойки. Основными условиями их образования являются неоднородность поверхности соприкосновения частиц и наличие гидрофобных участков, на которых возникают точечные контакты – начальные звенья будущей структуры.

Конденсационно-кристаллизационные структуры образуютсяв процессе конденсации полимеров или кристаллизации из растворов и расплавов; их существование определяется прочными химическими связями, отдельные частицы срастаются, жидкие прослойки между ними отсутствуют. Системы с такой структурой обладают большей прочностью, хрупкостью и необратимостью при разрушении.

Коагуляционные структуры могут переходить в конденса-ционно-кристаллизационные в процессе обработки продукта, когда создаются условия для удаления жидких прослоек между частицами, например при сушке или прессовании. Так как механические свойства любой системы теснейшим образом связаны с ее структурой, их часто называют структурно-механическими.

При изучении структурно-механических свойств пищевых материалов исследуется развитие деформаций во времени. В ос-новном изучают два вида деформации – сжатие (растяжение) и сдвиг. В первом случае напряжение действует перпендикулярноповерхности образца, во втором – по касательной (тангенциально).

Результаты исследования структурно-механических свойств обычно выражают графически в виде кривых кинетики деформации. Для области неразрешенных структур существуют два основных типа таких кривых.

Совокупность методов измерения вязкости жидкостей и газов называется вискозиметрие.

Согласно своему вязкостному поведению, жидкости делятся на ньютоновские (вода, растворители, растворы) – вязкость, про-порциональная концентрации, если частицы в растворе не взаимо-действуют и неньютоновские (растворы полимеров, дисперсии, воски, гели). Обе группы могут быть далее подразделены. В связи с тем что значение вязкости зависит от температуры, измерение вязкости проводят в условиях термостатирования. При обычных измерениях поддерживают постоянную температуру с точностью ±0,1 °С. При увеличении температуры на 1 ° в области 20 °С значение вязкости уменьшается приблизительно на 2 %.

В зависимости от принципа измерения различают три типа вискозиметров: капиллярный вискозиметр (течение жидкости через капилляр); вискозиметр, основанный на измерении скорости падающего шарика (движение твердого тела в исследуемой среде); ротационный вискозиметр (вращение тела).

В настоящее время метод падающего шарика практически не применяется. Главным образом используют различные типы капил-лярных и ротационных вискозиметров.

При измерении вязкости с помощью капиллярных виско-зиметров определяют время истечения равных объектов раствора растворителя. Наиболее широкое распространение получил виско-зиметр Оствальда. Этот простой прибор состоит из вертикальногокапилляра длиной 10–20 см, диаметром 0,3–0,4 мм и градуиро-ванного шарообразного измерительного сосуда объемом 1 мм.