Конспект лекций лабораторный практикум контрольные задания учебное пособие Кемерово 2004 удк: 532. 135 (075)

Поверхностные и компрессионные характеристики Особое место среди структурно-механических свойств занимают поверхностные свойства (адгезия, когезия, коэффициент трения). Они характеризуют усилие взаимодействия между рабочими поверхностями оборудования и перерабатываемого продукта при отрыве или сдвиге. В процессе технологической обработки пищевые материалы находятся в контакте с поверхностями различных рабочих органов машин, транспортирующих устройств и т.п. Характер течения массы по каналам формующих машин разных типов (шнековых, валковых, шестерённых и др.), а также по технологическим трубопроводам определяется как её структурно-механическими свойствами, так и силами сцепления с поверхностями контакта. Адгезия – это слипание поверхностей двух разнородных материалов. Это явление часто встречается в природе и широко используется в технике. Под когезией понимают сцепление частиц внутри рассматриваемого тела. Для пищевых материалов характерны разные виды отрыва (рис. 1.7): а) адгезионный; б) когезионный; в) смешанный – адгезионно-когезионный. а) б) в) Рис. 1.7. Виды отрыва материала: а) адгезионный; б) когезионный; в) смешанный – адгезионно-когезионный В ряде случаев для двух или более фазовых систем установить границу разрушения сложно. Поверхность пластины после отрыва может быть смочена дисперсионной средой или покрыта тончайшей плёнкой тонкодисперсной фракции исследуемого продукта. Общей количественной теории адгезии пока нет, хотя весьма плодотворны попытки комплексного объяснения адгезии на основе различных механизмов взаимодействия. В этом смысле для разработки теоретических представлений об адгезии перспективны фундаментальные работы академика П.А. Ребиндера об адсорбции и поверхностной активности тонких плёнок. В результате остроумных и тонких экспериментов В.А. Пчелин установил для растворов белковых веществ поверхностное натяжение, диэлектрическую постоянную, поверхностный потенциал и др. В явлении адгезии белковых веществ, как следует из теоретических представлений Б.В. Дерягина, участвуют, кроме Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения, электростатические силы, обусловленные возникновением двойного электрического слоя на поверхности. Величину адгезии двух тел принято характеризовать: силой отрыва; удельной работой отрыва, отнесённой к единице площади; временем, необходимым для нарушения связи между субстратом и адгезивом под действием определённой нагрузки. Наиболее распространёнными методами испытания являются: неравномерный отрыв, который позволяет выявить изменения в значениях адгезионной прочности на отдельных участках испытуемого образца; равномерный отрыв, при котором измеряют значение усилия, необходимого для отделения адгезива от субстрата одновременно по всей площади контакта; сдвиг одного материала относительно другого. Часто адгезию характеризуют минимальной силой, необходимой для отрыва. Эту величину называют адгезионной прочностью, адгезионным давлением (напряжением), давлением прилипания или удельным прилипанием. На формирование адгезионной связи большое влияние оказывают реологические свойства адгезива, чистота поверхности подложки и её топография, продолжительность контактирования адгезива и субстрата, давление при контакте, температура адгезива и подложки, скорость отрыва от подложки. При эксплуатации оборудования, а также при проектировании и создании новых машин необходимо учитывать адгезионные явления, для того чтобы правильно выбрать материал деталей или покрытий, установить оптимальный режим работы. Например, при производстве мягких сортов конфет из пралиновых масс, сливочной помадки и ряда других в зависимости от назначения тех или иных органов машины приходится или увеличивать их адгезионное взаимодействие, или добиваться минимального прилипания. Так, если в питающей зоне формующей машины прилипание массы к стенкам должно быть наименьшим, то в шнековой камере – наибольшим. Поверхность же шнека в противоположность выше сказанному должна быть гладкой, выполненной из материала, наименее прилипающего к массе. Для валкового нагнетателя характерно максимальное увеличение сил взаимодействия массы с поверхностью валков, что повышает эффективность работы машины. Хотя до настоящего времени природа адгезии не выявлена, известно несколько теорий, объясняющих физико-химическую сущность адгезионных явлений: по адсорбционной теории Дебройна и Мак-Ларена, адгезия связана с действием межмолекулярных сил: физических – Ван-дер-Ваальсовых или химических, например ковалентно-ионных; по электрической теории Б.В. Дерягина и Н.А. Кротовой – с разностью потенциалов на границе разнородных тел, т.е. с возникновением в зоне контакта своеобразного электрического молекулярного конденсатора, обусловленного двойным электрическим слоем; по электромагнитной – с электромагнитным взаимодействием, т.е. излучением и поглощением электромагнитных волн атомами и молекулами, что может реализоваться в конденсированных телах; по электрорелаксационной теории Н.М. Москвитина – с двойным электрическим слоем и скоростью отрыва, измерение которой вызывает появление деформационной составляющей силы или работы разрушения, связанной со скоростью протекания релаксационных процессов в разрушенном соединении; по диффузионной теории С.С. Воюцкого и Б.В. Дерягина – с диффузией концов макромолекул через границу первоначального контакта, в результате чего в предельном случае граница раздела фаз может исчезать; подобна этой механическая теория, согласно которой адгезионный контакт образуется за счёт механического зацепления молекулярных или надмолекулярных образований с микронеровностями поверхности; по термодинамической теории – с поверхностным натяжением, которое обуславливает, по правилу Дюпре, работу по замене поверхности раздела «твёрдое тело – жидкость» поверхностью «твёрдое тело – газ», что реализуется при отрыве диска от продукта. Формально адгезия определяется как удельная сила нормального отрыва пластины от продукта: р0 = F0 / A0, (1.18) где: F0 – сила отрыва, Н; A0 – геометрическая площадь пластины, м2. Трудно разделить силы трения и адгезии, возникающие при относительном смещении соприкасающихся поверхностей двух тел. Связь сил трения и адгезии определяется уравнением Дерягина: , (1.19) где: F – сила внешнего трения, Н; μ – истинный коэффициент трения; N – нормальная нагрузка, Н; А0 – площадь истинного контакта, м2; р0 – удельное прилипание, действующее на участках площади A0, Па. Внешнее трение – взаимодействие между телами на границе их соприкосновения, препятствующее относительному их перемещению вдоль поверхности соприкосновения. Оно зависит от усилия нормального контакта и липкости, определяется по двучленному закону Б.В. Дерягина: FТР = f ∙ (FК + р0 ∙ A0), (1.20) где: f – истинный коэффициент внешнего трения; FК – сила, пропорциональная поверхности сдвига. Если величины в уравнении (1.20) разделить на площадь истинного контакта А0, то мы получим следующие уравнения: FТР = f ∙ (FК + р0), или FТР = f ∙ FК + θ*0. (1.21) В ряде случаев удобнее оперировать эффективным коэффициентом внешнего трения, который вычисляется по зависимости: fЭФ = FТР / FК, (1.22) и может быть связан с величиной истинного коэффициента трения: fЭФ = f ∙ (1 + р0 / рК). (1.23) Уравнение (1.23) можно применить для вычисления как чистого трения, так и трения по поверхностной плёнке материала. Тогда θ*0 можно отождествить с предельным напряжением сдвига в плёнке, f∙FК представляет собой касательное напряжение, вызванное внешним давлением FК; коэффициент трения f характеризует скольжение в сдвигаемой плёнке. Компрессионные свойства используются для расчета рабочих органов машин и аппаратов и для оценки качества продукта, например, при растяжении – сжатии. К ним относятся коэффициент бокового давления, коэффициент Пуансона, модули упругости и д.р. Кроме того, ряд механических моделей, приведенных выше (Максвелла, Кельвина и д.р.) описывают поведение продукта при осевом или объемном деформировании. Плотность, как одно из компрессионных свойств, является существенной характеристикой при расчете ряда машин и аппаратов и при оценке качества продукта. Среднюю плотность ρ, кг/м3, для сравнительно небольшого объема определяют из соотношения: ρ = М / V, (1.24) где: М – масса продукта, кг; V – объем продукта, м3. Истинная плотность равна пределу отношения массы к объему, когда последний стремится к нулю. Между плотностью ρ и удельным весом γ [Н/м3] существует простая зависимость: γ = ρ ∙ g, (1.25) где: g – ускорение свободного падения, м/с2. Плотность смеси из нескольких компонентов, когда они не вступают во взаимодействие, при котором меняется состав или объем смеси, можно вычислить по зависимости: или , (1.26) где: сi – концентрация одного из компонентов в смеси, кг на 1 кг смеси; ρi – плотность компонента, кг/м3; i – число компонентов. 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РЕОМЕТРИИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ 2.1 Методы измерений Совокупность объектов реологических исследований в пищевой промышленности охватывает широкий диапазон агрегатных состояний материалов, начиная от твёрдых тел и кончая маловязкими жидкостями. Это, а также разнообразие целей реологических исследований, требует применения исключительного разнообразия приборов, как по принципу действия, так и по конструктивным особенностям. Методы физико-химической механики находят все большее применение в различных областях производства пищевых продуктов. Определение структурно-механических свойств (СМС) пищевых масс связано с необходимостью постоянного технологического контроля производства. Существенные отклонения СМС от принятых норм могут сказаться не только на снижении качества готовых изделий, но и на снижении производительности оборудования при проведении отдельных технологических процессов. Поэтому, основной задачей реометрии является определение изменений свойств материала, происходящих под влиянием тех или иных факторов. Методы измерения СМС весьма многочисленны, что обусловлено с одной стороны, огромным разнообразием реальных жидкостей и дисперсных систем, а с другой стороны, широким кругом практических условий их течения. По виду измеряемой величины реологические методы делятся на четыре группы (таблица 2.1). Эта классификация в определённой мере условна, так как некоторые приборы позволяют варьировать две величины при постоянной третьей. Первые два метода получили наибольшее распространение, особенно в вискозиметрии. Первый метод – метод постоянной скорости сдвига – реализуется обычно путём применения электромеханического или гидравлического привода. При этом сила сопротивления среды измеряется различными динамометрами. Второй метод – метод постоянной нагрузки или – конструктивно значительно проще, так как скорость перемещения или вращения измерительного тела легко измерить обычным секундомером или записать на диаграммной ленте. Таблица 2.1. Классификация методов измерения реологических характеристик Измеряемая величина Постоянные величины Пример прибора Динамическая (сила, момент, напряжение) Геометрические, кинематические Вискозиметр "Reotest"; универсальный прибор ВНИИМПа; сдвигометр Симоняна Кинематическая (время, скорость) Динамические, геометрические Вискозиметры: РВ – 8, Оствальда, Уббелоде, Гепплера Геометрическая (длина, площадь, объём) Динамические, кинематические (время) Пенетрометры (конический пластометр КП – 3 и др.) Энергия (мощность) Геометрические, кинематические Фаринограф Брабендера, прибор Большакова – Фомина; приборы, дающие диаграмму сила – расстояние При третьем методе измерения постоянная сила нагружения обусловлена неизменной массой подвижной части прибора. Время измерения обычно постоянно (180 – 300 с) и принимается несколько больше, чем период релаксации. На приборах измеряют глубину погружения в материал индентора специальной формы при уменьшающейся скорости, которая в пределе достигает нуля. Четвёртый метод позволяет по площади диаграммы, получаемой в координатах «сила – перемещение», определить энергию деформирования, а ордината на диаграмме показывает усилие. Кроме того, в приборах этой группы энергия может быть вычислена по мощности, если прибор снабжён самопишущим или показывающим ваттметром или счётчиком. По классификации М.П. Воларовича реологические методы исследования и приборы можно разделить на интегральные, дающие возможность определять суммарный эффект течения, и на дифференциальные, позволяющие непосредственно наблюдать деформацию во времени в каждой точке дисперсной системы при ее течении. Дифференциальные методы позволяют наблюдать изменение поля напряжений и деформаций во времени при исследовании сложных случаев течения структурированных систем. При этом наблюдения могут вестись визуально, а также с помощью рентгеноскопии, микрокиносъемки и т. д. Дифференциальные методы позволяют получить лишь качественную характеристику исследуемого явления. Например, при исследовании течения вязкопластичного материала в зазоре между двумя цилиндрами М.П. Воларович с сотрудниками перед исследованием нанесли на поверхность материала алюминиевую пудру. При деформировании (при вращении внутреннего цилиндра) на поверхности материала четко обозначились две зоны: а) зона пластического течения; б) зона упругого состояния (рис 2.1). Интегральные методы позволяют наблюдать суммарный эффект течения. В зависимости от условий исследования при помощи модельного анализа в каждом отдельном случае определяют число независимых характеристик механических свойств изучаемой системы, необходимых для решения поставленной задачи. Наиболее совершенными являются методы капиллярной и ротационной вискозиметрии, внедрения конуса, продольного смещения пластинки, а также шариковые вискозиметры.

Похожие:

	Лабораторный практикум по микробиологии Е лабораторный практикум по микробиологии: Учебное пособие. / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово,...		Учебно-методическое пособие Для студентов вузов Кемерово 2012 удк... Учеб метод пособие / авт сост. Г. П. Ковалева. Кемеровский технологический Институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2012. – 74...
	Учебное пособие Кемерово 2004 удк: Печатается по решению Редакционно-издательского... Учебное пособие предназначено для студентов специальности 271400 «Технология продуктов детского и функционального питания» всех форм...		Учебное пособие по курсу «Управление качеством» (практикум) Учебное пособие предназначено для студентов экономических специальностей, разработано на основе государственных стандартов по специальностям...
	Сборник задач по высшей математике : учеб пособие / В. П. Минорский.... Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил....		Учебное пособие Омск-2003 удк 5(075) ббк 20я73 Л 83 Сборник заданий по курсу “Концепции современного естествознания” : Учеб пособие Омск: Изд-во Омгту, 2003. 68с
	Екатериновская Мария Алексеевна Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил....		Аннотированный список книг по нанотехнологиям Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил....
	Общество семейных консультантов и психотерпевтов Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил....		Третьяков Ю, Гудилин Е. «Там, внизу, все еще много нанобума» Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил....
	Система подготовки аспирантов факультета наук о материалах мгу им. М. В. Ломоносова Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил....		Конспект лекций по философии Часть 1 Античная философия Новосибирск... Савостьянов А. Н. Конспект лекций по философии / Новосиб гос ун-т. Новосибирск, 2007. Ч. Античная философия. 68 с
	Учебное пособие для студентов специальности 271200 «Технология продуктов... Учебное пособие предназначено для студентов вузов, аспирантов и преподавателей, может быть полезно практическим работникам		Учебное пособие Кемерово 2004 удк 637. 5 Изучение дисциплины базируется на знаниях и умениях, полученных студентами при изучении естественно научных, общепрофессиональных...
	Список победителей и призеров заочного конкурса школьников «Шаг в... Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил....		Практикум по финансовому менеджменту. Конспект лекций с задачами... Гончарук О. В., Кныш М. И., Шопенко Д. В. Управление финансами на предприятии Учебное пособие. Спб.: Дмитрий Буланин, 2006. – 450...