Тема 2.5. Структуроутворення в дисперсних системах план

1. Вільнодисперсні та зв’язанодисперсні системи

2. Гелеутворення. Тиксотропія. Синерезис гелів

3. В’язкість дисперсних систем

4. Рівняння Н’ьтона та Шведова-Бінгама

5. Криві течії.

1. Вільнодисперсні та зв’язанодисперсні системи

Сировини, напівфабрикати, готова продукція харчової та переробної галузей промисловості мають різноманітні структурно – механічні властивості. Ці властивості залежать від температури, вологості, тиску та якості вихідної речовини, способу транспортування, засобів та термінів зберігання. Всі ці фактори впливають на поведінку структури під час її деформації при механічній обробці: подрібненні, розгортанні, формуванні, штампуванні.

Під структурою тіл звичайно розуміють взаємне розташування у просторі їх складових частин: атомів, молекул і груп молекул. Про характер структур, наявних у системах, роблять висновок на основі вивчення таких механічних властивостей, як в’язкість, пружність, пластичність, міцність. Дисперсні системи за характером взаємодії між частинками дисперсної фази поділяють на вільнодисперсні та зв’язанодисперсні.

Структурно-механічні властивості дисперсних систем залежать від кількості частинок дисперсної фази, тобто від їх чисельної концентрації. Якщо вона дуже мала, то утворюються вільнодисперсні системи, в яких частинки вільно переміщуються по всьому об’єму. До таких систем належать дуже розведені суспензії крохмалю, глини, крейди, фарби, дифузійний сік, молоко тощо.

До вільнодисперсних відносяться системи, у яких частинки дисперсної фази не утворюють одна з одною просторової сітки (структури) і здатні до незалежного переміщування в дисперсійному середовищі під впливом броунівського руху або сили тяжіння.

Такі системи не чинять опору зусиллю зсуву та мають текучість, властивості якої близькі до властивостей дисперсійного середовища.

Відповідно до класифікації П.О.Ребіндера ці системи відносять до безструктурних. До них належать розбавлені агрегативно стійкі дисперсні системи.

При збільшенні концентрації дисперсної фази значно посилюється взаємодія між частинками: вони з’єднуються між собою в агрегати й утворюється просторовий структурний каркас. Внаслідок цього частинки не можуть вільно рухатися одна відносно одної. Такі системи називаються зв’язанодисперсними. До них належать кондитерські маси, тісто, м’ясо та м’ясні вироби, драглі, пасти.

У зв’язанодисперсних системах частинки зв’язані одна з одною за рахунок міжмолекулярних сил і утворюють просторові сітки (каркаси).

Частинки таких систем не здатні до незалежного переміщення і можуть здійснювати лише коливальні рухи. Сюди належать гелі, концентровані суспензії (пасти) і емульсії, глини, плазма крові, соняшникова олія. Отже, поняття «зв’язанодисперсні системи» близьке до поняття «структуровані системи». Зв’язанодисперсні системи можуть виникати внаслідок коагуляції вільнодисперсних систем.

Таким чином, структуроутворення у вільнодисперсних системах може бути результатом втрати їх агрегативної стійкості. Тип і властивості структур, що утворюються в дисперсних системах, залежать від характеру сил міжмолекулярних взаємодій.

Згідно з класифікацією П.О.Ребіндера, усі структури в колоїдних системах поділяються на два основних типи: коагуляційні і конденсаційно-кристалізаційні.

Конденсаційно-кристалізаційне структуроутворення здійснюється шляхом безпосередньої взаємодії між частинками. Вони утворюються в результаті виникнення між колоїдним частинками інших хімічних зв’язків або при зрощуванні кристаликів.

Такі структури не володіють тиксотропними властивостями (тобто не здатні до відновлення після руйнування структури) і руйнуються не зворотньо.

Міцність міжчастинкових контактів в таких структурах може досягати міцності самих частинок. Такі контакти виникають, наприклад, при злежуванні гігроскопічних порошків, твердінні мінеральних в’яжучих матеріалів (цемент, гіпс). В процесі загартування морозива (охолодженні до -20⁰С) кристали льоду зрощуються, утворюючи жорсткий каркас.

На малих відстанях унаслідок дії ван-дер-ваальсівських сил частинки міцно зв’язуються одна з одною і утворюють жорстку об’ємну структуру. Якщо частинки аморфні (тобто охолодженні дуже швидко і в результаті не мають регулярної організації структурних частинок, прикладами аморфних тіл можуть бути скло, пластмаси, гума, смоли), то структура, що утворюється, називається конденсаційною. Кристалічні частинки утворюють кристалізаційні структури. Якщо процес охолодження рідини проводити повільно, то структурні одиниці в системі встигають розташуватися в певному порядку, притаманному кристалічному стану. Конденсаційно-кристалізаційні структури мають міцність та інші пружні властивості, але не здатні до відновлення структури після її руйнування.

Коагуляційні структури виникають за рахунок ван-дер-ваальсових сил притягання частинок, які викликають коагуляцію на відстанях, що відповідають «далекому мінімуму», коли між частинками дисперсної фази є прошарки середовища. Такі структури не мають міцності, але досить пластичні. Для них характерні такі специфічні властивості, як тиксотропія

Коагуляційні структури утворюються в тому випадку, коли під дією яких–небудь причин агрегативна стійкість колоїдної системи дещо знижується, але не втрачається повністю.

Якщо колоїдні частинки мають форму паличок або витягнутих паличок, то часткове зниження агрегативної стійкості означає зменшення товщини іонного шару або сольватної оболонки міцели, при чому на кінцях ці фактори стійкості майже повністю втрачаються.

В результаті частинки з’єднуються своїми кінцями, на яких збереглись тільки дуже тонкі шари дисперсійного середовища, утворюючи просторову сітку – структуру. Дисперсійне середовище знаходиться в комірках цієї сітки.

Рис.28. Схема утворення структурної сітки

Необхідно відмітити, що за певних умов коагуляційні системи можуть переходити в конденсаційно-кристалізаційні. Наприклад, в процесі термообробки під час випікання галет, крекеру, печива коагуляційні структури (тісто) переходять в конденсаційно-кристалізаційні (печиво), шоколадна маса (коагуляційна структура) при охолодженні і утворенні шоколадних виробів переходить в конденсаційно-кристалізаціну структуру (готові вироби).