К вопросу вязкопластических характеристик гетерогенных композиций в процессе их смешивания

При большом разнообразии технологических циклов в схемах производства как пищевой, так и непищевой продукции, процесс механического смешивания как типичный для большинства технологий, является одним из определяющих основные характеристики продукции.

При этом современные сырьевые компоненты любого производства характеризуются расширением используемых материалов. Так, в хлебобулочном и кондитерских производствах, в том числе лечебного и профилактического назначения, наряду с мукой различного качества используются отруби, диспергированное зерно, витаминно-минеральные смеси и т. п., имеющие различный гранулометрический состав и различные поверхностные свойства, обуславливающие характер адгезионнокогезионного взаимодействия со связующим.

Аналогичные тенденция расширения сырьевой базы и использование различных инертных и активных добавок характерны практически для всех отраслей производства, использующих процесс смешивания и рассматриваются исследователями в рамках различных научных направлений в соответствующих областях, в том числе и в пищевой промышленности для оценки технологических и потребительских характеристик разнообразных продуктов с использованием различных методов и средств контроля [1, 2]. Из стандартизованных методов оценки технологических свойств материалов, связанных с их реологическими характеристиками, можно отметить ISO 1133:2005, ISO 2577:2007, ASTM D955, ASTM D1238 [3–6]. Эти методы разрабатывались преимущественно для полимерных материалов, и для каждой методики ха- рактерен свой реологический показатель. В исследовательской практике также используется довольно широкий набор методов и средств измерения, но и здесь для каждой методики характерен свой реологический показатель для узкого класса материалов [1].

Смешивание жидкостей и твердых веществ, особенно в промышленных масштабах, имеет свои проблемы, к числу которых можно отнести образование агломератов (непроме-сов), попадание воздуха в смесь, чрезмерное пылеобразование, выделение паров и др., что не исключает отклонений качества в отдельных партиях произведенной продукции или потери сырья.

Повышение уровня качества в условиях расширения сырьевой базы, вариации свойств и состава компонентов возможно при создании гибкого технологического процесса, обеспечивающего путем целенаправленного изменения технологических параметров нивелирование отклонений в составе рецептуры, формирование бездефектной структуры материала.

Поиск решений, позволяющих избежать типичные проблемы смешивания, сохраняя при этом низкие затраты на персонал, чистку, утилизацию и энергетические ресурсы, составляют одну из задач системы менеджмента качества в части разработки эффективного набора оптимизационных элементов на основе научно обоснованных представлений о механизме совокупности сложных физикохимических процессов структурной эволюции на различных стадиях формирования материала, вещества, продукции [7, 8].

Стадия смешивания в решающей степени определяет формирование структуры и свойств продукции.

В рамках данной работы приводятся результаты исследований с использованием для количественной оценки вязкопластических свойств масс пластографа типа PI фирмы Brabender (Германия).

В качестве модельных использованы углеродные материалы как типичные представители широкого класса органических и неорганических материалов.

Исследования вязкопластических свойств масс на монофракциях показали, что оптимальному содержанию связующего соответствует увеличение энергии смешивания. Прочная структурно-механическая связь, заложенная на стадии смешивания масс, сохраняется и на готовых изделиях [7].

Исследовали вязкопластические свойства гетерогенных композиций, содержащих жидкую и твердую фазы различной степени измельчения, связующего различной структуры и вязкости, состояния поверхностных свойств (связующее и наполнитель) в процессе их смешивания.

Исследования наполнителя различного гранулометрического состава, выполнены с использованием симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента [9]. Экспериментальные точки представляли собой (3,2) решетку на симплексе, описание поверхности отклика искали в виде полинома второго порядка. В качестве аргументов использовали: Х 1 , Х 2 , Х 3 – относительное содержание фракции (–1,2+0,3) мм, (–0,5+0,09) мм, (–0,09+0) мм в шихте наполнителя, моделирующие крупные, средние и мелкие зерна наполнителя. Откликом служило сопротивление смешиванию в виде величины момента вращения Mвр на массах, содержащих 18 % связующего.

Уравнение регрессии имеет следующий вид:

Мвр = 5,5 Х 1 + 8,5 Х 2 + 13,0 Х 3 +

+ 10,0 Х 1 Х 2 + 39,0 Х 1 Х 3 + 21,0 Х 2 Х 3 .

Проверка адекватности модели по критерию Стьюдента показала, что уравнение регрессии адекватно, и поверхность отклика может быть описана уравнением второго порядка.

Поверхность отклика представлена на рис. 1.

Можно отметить, что сопротивление смешиванию не является аддитивной величиной, и момент вращения композиций на основе монофракций ниже, чем на основе их смеси. Невысокие значения момента вращения для компонентов Х 1 и Х 2 указывают на избыток связующего, а для Х 3 – на его недостаток. Видно, что основной вклад в реологию смешивания вносит мелкозернистый наполнитель, и даже незначительное его содержание резко увеличивает сопротивление смешиванию. Значительную роль играет также и крупнозернистый наполнитель Х 1 . Введение промежуточных фракций Х 2 приводит к более значительному снижению момента вращения, чем при введении крупнозернистого наполнителя Х 1 .

Таким образом, исследование вязкопластических свойств гетерогенных композиций, содержащих жидкую и твердую фазы различной степени измельчения, позволяет установить оптимальный гранулометрический со- став, учитывающий как создание непрерывной пространственной сетки связующего в объеме композиции, так и плотность ее упа- ковки.

Рис. 1. Поверхность отклика для момента вращения. Цифры около экспериментальных точек и над кривыми, представляющими собой проекции линий уровня, означают величины Мвр (Н.м)

Наряду с содержанием связующего его вязкость как компонента массы также оказывает влияние на вязкопластические свойства масс.

Связующие материалы, в том числе углеродные, как правило, практически не являются индивидуальными веществами, а состоят из набора фракций с различной молекулярной массой, т. е. являются многокомпонентными смесями, среди которых выделяют α-, ß- и γ-фракции, отличающиеся степенью ароматичности. Пластифицирующей составляющей является γ-фракция, состоящая преимущественно из низкомолекулярных масляных фракций, содержание которой снижается в ряду низкотемпературные связующие – высокотемпературные связующие.

Исследования связующих углеродных материалов различной степени ароматичности показали, что с повышением степени ароматичности с 0,9 до 1,4 отн. ед. сопротивление смешиванию увеличивается в 4 раза. Это обусловлено снижением в связующем пластифицирующей α-фракции.

Перспективными являются связующие повышенной степени ароматичности (высокотемпературные), так как низкомолекулярные составляющие при последующей термообра- ботке преимущественно испаряются, ослабляя структуру материала. Использование таких связующих диктует соответствующие требования к мощности силового оборудования смесильного и прессового оборудования для получения бездефектной заготовки с высоким уровнем физико-механических характеристик. Прототипом смесителей интенсивного типа могут быть разработки фирмы ««EIRICH», используемых сегодня во многих странах в различных отраслях для обработки сырья и приготовления смесей1.

Целесообразно отметить, что при смешивании, в том числе и при использовании высокотемпературных связующих, эффективно использование пластификаторов. Применение поверхностно-активных веществ в количестве до 0 2 % существенно повышает пластичность масс. В основе механизма пластификации при их применении лежит адсорбция молекул на поверхности высокодисперсных твердых частиц, что снижает внутреннее трение в массах2. Так, при использовании олеиновой кислоты угол смачивания наполнителя связующим уменьшается в 2 раза, что свидетельствует об улучшении смачиваемости наполнителя связующим.

Как наполнитель, так и связующее не являются, как правило, инертными материалами, что обуславливает сложный характер адсорбционного и хемосорбционного взаимодействия связующего с активной поверхностью наполнителя при формировании прослойки связующего. При исследовании этих процессов используется широкий комплекс физико-химических методов исследования: тепловая и ультразвуковая экстракция масс растворителями, определение степени удерживания компонентов прослойки связующего поверхностью наполнителя путем центробежной термофильтрации массы, определение степени ароматичности пеков с помощью протонного магнитного резонанса широких линий, определение теплоты смачивания с использованием микрокалориметрии, термогравиметрического анализа в различной атмосфере, методы ИК- и ЭПР-спектроскопии, определение удельной поверхности (БЭТ и воздухопроницаемости), определение адсорбци- онной способности наполнителя к компонентам связующего, эффективной вязкости связующего, криоскопический метод определения средней молекулярной массы экстрактов и термофугатов. С использованием комплекса методов показано, что в процессе смешивания происходит перераспределение компонентов связующего на поверхности частиц наполнителя [10, 11].

Исследовали вязкопластические свойства масс в присутствии минеральной оксидной добавки, используемой для регулирования структурообразования в процессе последующей термообработки. Экспериментальные данные (рис. 2, 3) показывают существенное изменение как вязкопластических свойств масс при смешивании, так и соответствующее увеличение плотности отпрессованных изделий, т. е. изменяется уплотняемость массы при прочих равных условиях.

Рис. 2. Зависимость вязкопластических свойств масс от содержания минеральной добавки

Рис. 3. Зависимость плотности изделий от содержания минеральной добавки

Изменение вязкопластических свойств масс и их уплотняемости в присутствии добавки увязывается с изменением их группового состава при смешивании, в том числе снижением полярной составляющей связующего ß-фракции в массе при введении минеральной добавки (рис. 4).

Так как вязкое сопротивление возникает в результате работы, которая должна быть затрачена на преодоление молекулярного сцепления при перемещении одного слоя молекул по другому, связывание молекул, образующих своими функциональными группами «молекулярный ворс», способствует снижению величины молекулярного сцепления. В данном случае добавки, вводимые для направленного регулирования структурообразования в процессе последующей термообработки, действуют и как регуляторы хемосорбционного взаимодействия связующего и наполнителя при смешивании, обеспечивая улучшение физических свойств, лимитируемых плотностью, при снижении энергозатрат на процесс смешивания.

Рис. 4. Изменение содержания полярной составляющей связующего в массе при введении минеральной добавки

Таким образом, качество продукции на основе гетерогенных композиций, содержащих жидкую и твердую фазы, можно и целесообразно оценивать по корреляционным зависимостям между вязкопластическими свойствами масс на стадии смешивания и свойствами конечного продукта из этих масс. Рассмотренные факторы могут быть рассмотрены как эффективный набор оптимизационных элементов формирования структуры гетерогенных композиций.