Поверхностные свойства

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 (адгезив) находятся в контакте с поверхностями различных рабочих органов машин (субстрат), транспортирующих устройств и т.п. Характер течения массы по каналам формующих машин разных типов (шнековых, валковых, шестеренных и др.), а также по технологическим трубопроводам определяется как ее 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. 1.10): 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 пленкой тонкодисперсной фракции исследуемого продукта.

а) б) в)

Рис. 1.10. Виды отрыва материала:

а) адгезионный; б) когезионный;

в) смешанный – адгезионно-когезионный

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 пленок. 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, отнесенной к единице площади; временем, необходимым для нарушения связи между субстратом и адгезивом под действием определенной нагрузки. Наиболее распространенными методами испытания являются:

а) неравномерный отрыв, который позволяет выявить изменения в значениях адгезионной прочности на отдельных участках испытуемого образца;

б) равномерный отрыв, при котором измеряют значение усилия, необходимого для отделения адгезива от субстрата одновременно по всей площади контакта;

в) 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 ее 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:

1) по адсорбционной теории Дебройна и Мак-Ларена, адгезия связана с действием межмолекулярных сил: физических – Ван-дер-Ваальсовых или химических, например ковалентно-ионных;

2) 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;

3) по электромагнитной – с электромагнитным взаимодействием, т.е. излучением и поглощением электромагнитных волн атомами и молекулами, что может реализоваться в конденсированных телах;

4) 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;

5) 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 счет механического зацепления молекулярных или надмолекулярных образований с микронеровностями поверхности;

6) по термодинамической теории – с поверхностным натяжением, которое обуславливает, по правилу Дюпре, работу по замене поверхности раздела «твердое тело – жидкость» поверхностью «твердое тело – газ», что реализуется при отрыве диска от продукта.

Формально адгезия определяется как удельная сила нормального отрыва пластины от продукта:

р ₀ = F ₀ / A ₀, (1.23)

где: F ₀ – сила отрыва, Н;

A ₀ – геометрическая площадь пластины, м².

Внешнее трение – взаимодействие между телами на границе их соприкосновения, препятствующее относительному их перемещению вдоль поверхности соприкосновения.

Трудно разделить силы трения и адгезии, возникающие при относительном смещении соприкасающихся поверхностей двух тел. Связь сил трения и адгезии определяется уравнением Дерягина:

, (1.24)

где: F _тр – сила внешнего трения, Н;

μ – истинный коэффициент трения;

N – нормальная нагрузка, Н;

А ₀ – площадь истинного контакта, м²;

р ₀ – удельное прилипание, действующее на участках площади A ₀, Па.

Сила внешнего трения – усилие, действующее по касательной к продукту и вызывающее сдвиг твердого материала по продукту. Она может быть статической F _{тр ст} или динамической F _{тр ст}.

Статическая – максимальное значение, которое достигается в начальный момент сдвига одной поверхности по отношению к другой, и расходуется на преодоление силы трения покоя (инерции) и разрушения связей между материалом и продуктом (поверхностями), образовавшихся в период предварительного контактирования. В начальный момент сдвига происходит переход из состояния покоя в равномерное движение, сопровождаемый пластическими деформациями.

Динамическая – учитывает силу трения скольжения при установившейся скорости движения. При малых скоростях движения, а следовательно и ускорениях, динамическая сила трения практически будет равно статической. Разница между динамической и статической силой составляет инерционную силу Р _ин.

Истинный коэффициент внешнего трения μ (статический или динамический) – отношение соответствующей силы внешнего трения F _тр к сумме нормальных сил контакта N и отрыва(р ₀ ∙ А ₀) (1.26).

В ряде случаев удобнее оперировать эффективным коэффициентом внешнего трения μ _эф:

μ _эф = F _тр / N. (1.25)

Этот коэффициент связан с истинным коэффициентом трения следующим образом:

. (1.26)

Внешнее трение зависит от липкости и ряда других факторов (давление контакта, скорости смещения, температуры и пр.), причем влияние этих факторов неоднозначно. Для теоретического обоснования внешнего трения предложены молекулярно-кинетическая, механическая, физическая и другие теории, аналогичные теориям, объясняющим адгезию.