Тиксотропные системы и их свойства

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского» в г. Ульяновске

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ: «Основы реологии пищевых масс»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

1 Тиксотропные системы и их  свойства        3

2 Альвео-консистограф, определяемые реологические характеристики и дополнительные функции реометра       8

 

1 Тиксотропные системы  и их свойства

Рассмотрим специфическое свойство коагуляционных структур - тиксотропию. Тиксотропия - это изотермический обратимый переход структурированной системы в бесструктурную или слабоструктурную систему при механических воздействиях, т. е. способность восстанавливать свою структуру во времени после ее механического разрушения. Если обратимое восстановление структуры происходит за весьма малое время (доли секунды), то тиксотропия называется мгновенной.

Тиксотропия - способность структуры после разрушения ее связей под влиянием механических воздействий со временем самопроизвольно их восстанавливать в результате броуновского движения. Такое разрушение и восстановление связей структуры может происходить не только в случае покоящейся системы, но и при ее течении. При этом градиент скорости течения зависит от степени восстановления или разрушения связей структуры. Если происходит разрушение структуры, то вязкость снижается, в противном случае она возрастает. С разрушением структуры уменьшается ее прочность, с восстановлением - прочность растет. Явления тиксотропии известны в природе (плывуны» и др.) и используются в технике (например, производство красок).

Явление тиксотропии играет существенную роль при вибрационной обработке. Под влиянием вибрационных воздействий все частицы обрабатываемой среды участвуют в относительном броуновском (либо колебательном) движении, что дает возможность осуществить перевод структурированной системы в бесструктурную либо в слабо структурированную с изотропной разрушенной структурой. Степень изотропного разрушения связей структуры зависит от амплитуды и частоты вибрации.

При вибрационной обработке среды происходит разрушение связей структуры, что облегчает проведение различных процессов в среде, например ее укладку, разрушение, перемешивание и т. п. В процессе вибрационной обработки в материалах происходит повышение разжиженности (консистенции). Степень разжиженности определяется вибрационным фоном и временем воздействия, т. е, фактически продолжительностью воздействия сдвиговых напряжений и скоростью деформирования. С этих позиций показательно приводимое в книге Уилкинсона определение тиксотропных материалов как материалов, в которых их консистенция зависит от продолжительности воздействия сил сдвига и величины скорости сдвига. Если тиксотропный материал, находящийся в состоянии покоя, деформировать с постоянной скоростью, то его структура будет разрушаться. Скорость разрушения определяется начальным состоянием связей структуры, их природой. Вначале эта скорость возрастает, а затем убывает. В процессе изменения скорости разрушения в самой структуре происходит переориентация кинетических единиц в направлении действия сил сдвига. Г. Фрейндлих, впервые изучавший тиксотропию, указывает, что любая система может быть тиксотропной, если частицы, образующие структуру, имеют коллоидные размеры и возможно понижение степени структурированности системы.

Остановимся на основных видах деформаций и течений. Под термином «деформация» обычно понимают относительное перемещение точек системы под влиянием каких-либо воздействий. Точкой системы называется такой материальный объем среды, все точки которого имеют постоянную скорость. По отношению к избранной системе отсчета относительное перемещение точек системы или деформация - это функция координат этих точек, а также времени. Если деформация - линейная функция координат, то она называется линейной однородной деформацией. Если она не зависит от времени, ее называют стационарной. Когда тело (система) движется так, что все макроскопически бесконечно малые части его имеют одну и ту же скорость, то тело представляет материальную точку. При неизменности расстояния между бесконечно малыми его частями оно составляет абсолютно твердое тело. Если же это расстояние меняется на бесконечно малую величину, то имеем тело однородной деформации. Совокупность тел однородной деформации образует тело общей деформации. Деформация, исчезающая при разгрузке, называется упругой. Упругие деформации разделяются на объемные, сдвиговые и кручения.

Теперь остановимся на видах течений. Вязкое течение происходит под действием любых сил, как бы малы они ни были, а пластическое возникает, если напряжение сдвига окажется выше некоторой величины, называемой пределом текучести. Оба вида течения связаны с расходом механической энергии, затрачиваемой на преодоление сил внутреннего трения, препятствующих деформированию, а также с большими остаточными деформациями. Однако в вязком течении механическая энергия зависит от скорости деформирования, а в пластическом не зависит. В структурированных системах оба типа течения могут проявляться одновременно.

Предел текучести определяет то напряжение, ниже которого отсутствуют пластические деформации, либо они весьма малы. Некоторые тела, например мягкая сталь, обладают истинным естественным пределом текучести, т. е. имеется ярко выраженное разделение на зоны, в одной из которых нет пластических деформаций, а в другой они есть.

Вязкое течение обычно наблюдается в структурированных жидкостях, а пластическое - в твердообразных структурах. Вязкость пластического течения называется пластической вязкостью. Другими словами, в структурированных жидкостях предел текучести считается почти равным нулю и течение возможно при любом сколь угодно малом напряжении сдвига. Независимо от структуры, все течения в жидкостях или газах разбиваются на ламинарные и турбулентные. Течение, в котором все участвующие в нем частицы перемещаются слоями, т. е. имеют почти одинаковые траектории, называется ламинарным. При этом скорость слоев различна. Ламинарное течение можно наблюдать в узких капиллярных трубках, в красках и вообще при обтекании тел малых размеров жидкостью, имеющей малую скорость и большую вязкость. Именно к последнему случаю относится течение в коагуляционных коалондвых структурах. Роль тел малых размеров выполняют коллоидные частицы.

Турбулентное течение отличается от ламинарного тем, что в этом случае частицы (элементы) жидкости или газа (кинетические единицы течения) совершают неупорядоченные движения по сложным траекториям, различным для разных частиц. В турбулентном течении нарушено послойное движение частиц жидкости, происходит интенсивное перемешивание кинетических единиц течения или слоев жидкости. Турбулентное течение возникает часто на границе раздела двух фаз, движущихся друг относительно друга в пограничных слоях, образующихся при обтекании тел вязкой жидкостью. Турбулентное течение является наиболее распространенной формой течения, наблюдается в природе (в реках, морских течениях и т. д.) и в технике (течение в трубах, каналах и т. п.).

Течение называется устойчивым (по Ляпунову), если достаточно малые возмущения, образовавшиеся в жидкости, со временем затухают. Если же возникающие в потоке жидкости сколь угодно малые возмущения с течением времени становятся сколь угодно большими, т. е. возрастают, то течение жидкости называется абсолютно неустойчивым.

Турбулентное течение наступает в результате потери устойчнвости ламинарного течения и связано с так называемым числом Рейнольдса, представляющим отношение сил инерции движущейся жидкости к силам вязкости.

Все структурные элементы (атомы, ионы, молекулы, мицеллы. кристаллические сростки) любого вещества обладают определенной подвижностью и способны перемещаться друг относительно друга под влиянием различных воздействий. В результате в веществе возникают деформации и связанные с ними внутренние напряжения, которые способны со временем «рассасываться». Процесс убывания напряжения во времени получил название релаксации. Релаксация является следствием теплового (броуновского) движения и происходит в любых телах. Под релаксацией вообще можно понимать процесс перехода от неравновесного состояния к равновесному. так, для жидкости такой переход может быть в результате теплового движения кинетических единиц жидкости.

 

 

 

2 Альвео-консистограф, определяемые реологические характеристики и дополнительные функции реометра

Альвеограф предназначен для определения реологических свойств теста (упругая и общая деформация теста, работа деформации теста, эластичность). Альвеограф предполагает проведение эксперимента при постоянной влажности теста. С 2011 года этот прибор предлагается к поставке исключительно в составе прибора альвео-консистограф. Альвео-консистограф представляет собой альвеограф, месильная емкость которого оборудована датчиком давления для определения консистенции (вязкости) замешиваемого теста. По консистенции теста судят о водопоглотительной способности муки (ВПС) и исходя из этого значения дозируют на замес теста для последующего альвеографического определения такое количество воды, которое приводит к получению теста оптимальной консистенции (ей соответствует давление 2200 мбар). Соответственно альвео-консистограф предполагает проведение эксперимента при постоянной консистенции теста. При этом пользователь, работая на альвео-консистографе, может не принимать в расчет оптимальную консистению теста, а замешивать его при постоянной влажности. То есть альвео-консистограф позволяет провести эксперимент с теми же параметрами, что и альвеограф. Установка соответствующих настроек, а также вывод результатов анализа производятся через специальный блок-приставку альвеолинк, который входит в комплект поставки.

В начале каждого рабочего дня проводится калибровка давления воздуха. После ее проведения производят замес теста. При работе на альвеографе на замес подают 250 г муки и 2,5% раствор соли в количестве, зависящем от влажности муки (при использовании муки с фактической влажностью 15% вносят 125 мл раствора соли, что соответствует влажности теста 43,3%). При работе на альвео-консистографе производят замес, используя те же ингредиенты в тех же количествах, но при этом регистрируют давление теста в процессе его замеса. Если давление отличается от 2200 мбар, то прибор автоматически выдает рекомендацию изменить количество муки и воды, после чего замес проводят снова и такое количество раз, пока давление теста не будет достигать 2200 мбар.

После замеса тесто выпрессовывают, делят на куски, раскатывают, формуют и ставят на отлежку в расстойную камеру.

После отлежки блинок теста укладывают на приемный столик, фиксируемый с помощью кольца, после чего производят его надувание в форму шара до разрыва. На начальном этапе эксперимента при увеличении давления воздуха проба теста проявляет свои упругие свойства. далее под давлением воздуха тесто раздувается в шар и проявляет свои упруго-пластические свойства. В определенный момент времени происходит разрыв шара, тесто проявляет свои прочностные свойства.

Альвеограф/альвео-консистограф используется для оценки технологических свойств муки и соответственно определения ее целевого назначения. Так, мука, которая дает тесто со сравнительно высокой общей и низкой упругой деформацией пригодна, например, для приготовления печенья. В то время как мука, которая дает тесто со сравнительно низкой общей и высокой упругой деформацией – для макаронных изделий. Также альвеограф/альвео-консистограф применяется для оценки действия различных улучшителей и ферментных препаратов на качество теста, для составления помольных партий зерна и др.

 

 

 

 

 

 

Типичная альвеограмма

Основные характеристики альвеограммы:

P – упругая деформация теста

L – общая деформация теста

W – работа деформации

Iе – индекс эластичности (Р200/Р)