4-3.4. Желатин

На рис. 4-13 приведены кривые деформаций для разных влагосодержаний желатина при постоянной температуре 25° С. Видно, что упругая область незначительна, упругопластические деформации происходят примерно по линейному закону. В отличие от глины, когда вслед за областью упругопластических деформаций наступает пластическое течение, здесь мы наблюдаем иную картину. При напряжении порядка Рm = 3,2 • 10-2 кГ/см2 наступает упрочнение структуры, что отмечается на кривой точкой излома. Дальнейшее повышение напряжения с увеличением деформации происходит по линейному закону, т. е. желатин ведет себя как хрупкое тело. В момент упрочнения желатин становится пористым, в нем возникают поры, которые частично заполняются жидкостью.

На рис. 4-14, а приведена увеличенная в 80 раз фотография желатина при влагосодержании 1,8 кг/кг до создания напряженного состояния. На рисунке видно, что желатин имеет однородную (гомогенную структуру *). После создания напряженного состояния возникают поры правильной геометрической формы (рис. 4-14, б, в). Чтобы объяснить механизм образования пор в результате создания объемно-напряженного состояния, которое сопровождается упрочнением структуры, были сделаны снимки под электронным микроскопом (рис. 4-15). Из рис. 4-15 видно, что вокруг пор образуется слой определенной толщины с правильно ориентированными мицеллами, между которыми в виде тонких прослоек расположена жидкость. С увеличением радиуса пор плотность мицелл в ориентированном слое возрастает так, что при диаметре пор 0,35 мм ориентированный слой представляет собой сплошную структуру с тонким венцом связанной жидкости по диаметру поры. Тонких прослоек жидкости в самом слое при увеличении в 4 000 раз не обнаруживается.

Известно, что при действии нагрузки на материалы с отверстиями около них происходит концентрация напряжений, которая при переходе за пределы текучести сглаживается, но затем с ростом пластических деформаций вновь возрастает. Эта концентрация напряжений увеличивает сопротивляемость материала разрушению и вызывает его упрочнение. Аналогичная картина имеет место и здесь, только в микроскопическом масштабе. Это упрочнение может быть вычислено по формуле Лапласа, для чего необходимо знать радиус отверстия и толщину ориентированного слоя. По электрофотографиям было определено отношение радиуса поры к толщине ориентированного слоя, оно оказалось равным единице. В результате коэффициент упрочнения для желатина при влагосодержании его 6,7 кг/кг примерно будет 1,85.

Следовательно, механизм образования пор можно представить примерно так. В напряженном состоянии в местах наименьшего сопротивления сдвигу (в вакуолях, заполненных свободной и связанной водой, содержащей растворимые фракции желатина) происходит концентрация напряжений, которая сопровождается возникновением локальных пластических деформаций.

В результате концентрации напряжений в структуре желатина происходят сложные физико-химические превращения, которые сопровождаются возникновением пор правильной геометрической формы. В результате возникших напряжений структура желатина, состоящая из беспорядочно расположенных мицелл, содержащих большое количество осмотически захваченной жидкости, превращается около пор в текстуру с равномерно распределенной жидкостью. При этом часть свободной жидкости переходит в связанную. С появлением пор за пределом упругости наблюдается резко выраженное упрочнение структуры желатина.

Такое упрочнение структуры с образованием пор происходит при низких температурах (10—30° С). Начиная с температуры T≥30° С, упрочнения не происходит и желатин дает кривые деформации, аналогичные кривым деформации глин.

Предельные разрушающие напряжения приведены в табл. 4-6. Анализ этих данных показывает, что разрушающие напряжения уменьшаются с повышением влагосодержания по линейному закону. Влияние температуры показано на рис. 4-16.