食品质构与流变ppt课件
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食品质构与流变学 FoodTextureandRheology 1 REFERENCE 1 RheologyforChemists GoodwinJ W HughesR W RSC 20002 IntroductiontoRheology LabaD MicellePress Weymouth 19973 FoodTextureandViscosity BourneM C AcademicPress 19944 MeasurementsinRheologyoffoodstuffs J H prentice 19845 FoodtextureandRheology P Sherman Dept ofFoodSci Queen ElijabthColloge Univ ofLondon England1979 6 Roeologicalmethodsinfoodprocessengineering Steffe J F Freemanpress 1996可免费下载 7 食品流变学及其测量 陈克复等编译 轻工出版社 19898 聚合物流变学 美 L E 尼尔生著 范庆荣宋家琪译 科学出 版社 1984 9 食品物性学 李里特著 中国农业出版社 1998 2 课程的主要内容 第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章 绪论流变学的基本概念流体食品的流变学性质塑性食品的流变学性质及其测量固体食品的流变学性质粘弹性体系的流变学性质及其测量一些典型食品的流变学特征食品的质构分析方法 3 绪 论 一 什么是食品流变学1 是一门对食品品质进行评价的科学感官评定 以人为主体 主观的评价方式流变学 以仪器为主体 客观的评价方式2 流变学研究的主要是食品的动觉 力学 性质 4 5 二 质构与流变的关系 1 定义 质构 不同种类的细胞或组织在食品中分布或组合 的方式 人手或嘴触摸或咀嚼食品时的感觉 流变学 是力学的一个分支 是研究物质在力的作用 下变形或流动的科学 6 7 早期油墨流变性质测定仪器 8 9 二 研究的主要指标流变学 粘度 viscosity 稠度 consistence 弹性 elasticity 粘弹性 viscoelasticity 质构 粘着性 硬度 脆度 耐咀嚼性 粘弹性拉伸强度 10 三 研究意义 1 控制产品质量 鉴别成品的优劣 预测新产品的接受性 2 为工艺及设备的设计提供有关数据 3 找出产品流变性质与组成及加工工艺之间的关系 为优化产品配方和工艺提供依据4 根据经验公式或模型 预测产品在储存加工过程中的变化 11 四 研究流变学的主要方法 数学法 即根据实验测定的流变性质建立数学模 型 再用此数学模型来描述流体流动规律 实验法 结构法 将测出的流变性质与物质 的内在结构联系起来 结合结构分析 从结构上找出产生流变性质的内在因素 12 五 发展历史 1 始于20世纪60年代初 流变学的测量方 法 70年代中期流变学测量开始在工业中得到广 泛的应用 2 促进食品与流变学发展的一个重要因素是食 品质构与流变性质的测量为评价食品的感官质量提供了极为有效的手段 新的仪器和分析软件不断涌现 13 六 食品的流变学分类 液体 流体 食品 在力的作用下只产生流动 14 固体食品 在力的作用下只发生变形 15 塑性食品 介于液体食品和固体食品之间 在小应力作用下不产生流动而是象固体那样发生变形 在应力超过某一界限时才开始流动 16 4 粘弹性食品在力的作用下即产生流动又产生变形 solid like Liquid likeViscoelasticfood 17 SUPERBALL SOLID TENNISBALL VISCOELASTIC WATERBALL LIQUID 18 也有分五类的说法 固体食品 牛顿流体类 非牛顿流体类塑性类粘弹性类 19 第二章流体的流变学性质 在相同力的作用下有不同的流动状态 20 F 应力 与矢量F方向相同 即亦与作用面成 角 流变的基本概念一 力 应力 stress 应力 就是作用于单位面积上的力 理想固体 F A 非理想体系 dF dA 21 一般研究时将应力分解成两个分量 n normalstress 正应力 与截面垂直 t shearstress 剪切应力 与截面平行 剪切应力通常又记作 应力单位 dynes cm2 国际单位为 帕斯卡 1 0帕斯卡 1N m2 10dynes cm2 22 流体受到外力时会产生与外力方向平行的流动 因此所受的应力就为剪切应力 shearstress 应力作用下的变形就称为应变 strain 记作 在恒定力的作用下 流体产生的应变是流动 而随着流动的进行 流体的形状是不断变化的 因此流体的应变通常用单位时间的变形 即应变的时间导数来表示 23 流体的平衡态流动 层流流动 流体沿流动方向的垂直方向呈现若干相对独立的层状流动 24 流动与剪切速率 dt dx dy dt dx dt dy du dy 25 Profile Max velocity 流体在圆管中的流动状态MinimumvelocityPipeParabolicFlow 26 剪切速率 shearrate 表征流体在剪切应力作用 下的应变状况 剪切速率的物理意义是指流动时流体内部在垂直于流动方向上的速度梯度 记作单位为 27 粘度系数 简称粘度 粘度是剪切应力和剪切速率的比值 的单位是 粘度的大小表征流体流动时内部摩擦力 即粘滞阻力的大小 28 Area A m2 Height y m v ms 1 FlowF N dx ShearRate v y 1 s 剪切应力ShearStress F A Pa 剪切速率 粘度Viscosity Pa s 29 ViscositymPa s Temp C WaterMilkCoconutoilCocoabutterCream40 GlycerineHoney 0 891 45264121095410 000 25254040482525 TypicalViscosities Pa s 30 TypicalViscosities Pa s SAsphalt Binder 沥青 SPolymerMelt 熔融高分子 SMolasses 糖蜜 SLiquidHoney 蜂蜜 SGlycerol 甘油 SOliveOil 橄榄油 SWater 水 SAir 空气 100 000 1 0001001010 010 0010 00001 31 TypicalShearRates s 1 SSedimentation 沉降 SSagging 漂流 10 410 3to100 SCompressionMolding 压榨 100to101101to103103to104 SPouring 倾泻 SExtrusion 挤压 SPumping 泵送 SBlowMolding 鼓风 SRubbing 摩擦 SInjectionMolding 喷射 SSpraying 喷雾 SBearinglubrication 轴承润滑 105106 32 中的 是常数 2 1牛顿流体 理想流体 NewtonianFluid 牛顿流体 流动状态方程符合牛顿定律的流体统称为牛顿流体 牛顿流体的特征是剪切应力与剪切速率的关系是直线 也就是说牛顿方程 33 牛顿流体的流动特征 CharacteristicDiagramsforNewtonianFluids NewtonianEquation 34 S 物理化学特性 V 场强 35 1 不可压缩性2 各向同性 3 本身无结构 4 没有弹性 受到剪切力作用时形成连续流 动 外力撤去后变形不能恢复 牛顿流体所应具有的性质 36 自然界中真正的牛顿流体是不存在的 然而很多实际液体在剪切应力很宽的范围内表现出牛顿流体的性质 流变学家也就把这些流体归为牛顿流体 最典型的牛顿流体是水 37 38 牛顿流体粘度随温度的变化 Andrade公式 Lg A B T 和 是与流体种类有关而与温度无 关的常数 不同的流体其 和 值不同 39 T1 T2 10 B T1 B T2 10 B 1 T1 1 T2 可见对于相同的温度变化 值越大 粘度的变化越显著 40 PowerLawExpression 41 压力对粘度的影响 压力对粘度影响的一般规律是随压力升高粘度增大 但对不同的流体 粘度随压力变化的程度显示出很大的不同 42 中的 不是常数 2 2 非牛顿流体 Non NewtonianFluids 非牛顿流体 流动状态方程不符合牛 顿定律的流体统称为非牛顿流体 非牛顿流体的特征是剪切应力与剪切速率的关系是曲线而不是直线 也就是说牛顿方程 43 典型的非牛顿流体按其粘度与时间的关系被分为两类 非时变性流体 time independent 时变性流体 time dependent 44 n 稠度系数 consistency 流动特性指数 power lawindex n 假设 则非时变性流体的状态方程为 2 2 1 非时变性非牛顿流体流动方程可用幂定律来描述 幂定律 power lawmodel 45 n 表观粘度 单位与 相同 它不仅与 和 有关 而且是剪切速率的函数 46 n 0 n n 1 表现为牛顿流体 的增大而减小 表现为剪切变稀 shearthinning 的增大而减大 表现为剪切变稠 shearthickening n 1 随 n 1 随 47 1 假塑性流体 pseudoplasticfluids n n 0 n 1假塑性流体最主要的特征是在较大的剪切速率范围内 显示剪切变稀的性质 48 Pa s Pa s CharacteristicDiagramsforPseudoPlasticFluids 105103101 10 110 6 102104 10 410 2100 1 s 105103101 10 10 1 1000 1100 Pa Shearthinning Pa 49 a 现在一般认为体系之所以呈现假塑性 是因为分子定向排列 在外力作用下 分子从无序到有序移动 以及聚集体解体的缘故 b 大分子构型的改变 体系呈现假塑性的原因 50 ShearThinning WhyDoesitOccur Unsheared Sheared Aggregates breakup AnisotropicParticlesalignwiththeFlowStreamlinesRandomcoilPolymerselongate 1s 51 聚集体的解聚 颗粒的定向排列 52 53 很多浓缩果汁 果酱都属于假塑性流体 一些高分子溶液也属于假塑性流体 比如多糖溶液 对于这一类食品在加工时应注意其剪切变稀的流变性质 54 55 2 胀塑性流体 dilatantfluids n n 1 n 胀塑性流体最主要的特征是在较大的剪切速率范围内 显示剪切变稠的性质 56 a 类牛顿区 类牛顿区 CharacteristicDiagramsforDilatantFluids 57 WhyShearThickening 剪切变稠往往发生在中等或较高的剪切速率下 通常是由悬浮粒子的聚结以及大分子的进一步缠绕导致的 在高体积分数时 有可能在剪切力的作用下导致体积膨胀 当受到较大剪切力作用时 粒子发生重排 由紧密排列变成多孔性的疏松排列结构 连续相不能再充满粒子间隙 粒子之间直接接触 相对 运动时阻力增大 a增大 58 剪切作用 撤去外力 静止时 紧密堆积 空隙小 连续相充满粒子周围 在较小剪切力作用下 连续相仍然在粒子周围 润滑粒子的相 对运动 阻力小 a小 当受到较大剪切力作用时 粒子发生重排 由紧密排列变成多孔性的疏松排列结构 连续相不能再充满粒子间隙 粒子之间直接接触 相对运动时阻力增大 a大 59 viscosity Pa s 1000 0 01000 0 1000 1 000 10 00 100 0 shearrate 1 s 0 05000 0 35000 3000 TA AnExampleofShearThickeningInstruments FlipChipUnderfillResin Filler var 80癈 0 0 35 0 25000 200065 0 15000 1000 70 60 胀塑性流体在食品中较少遇到 只有很少一部分溶液和悬浮液在一定的浓度范围内表现为胀塑性流体 最具代表性的胀塑性流体是蜂蜜 61 RheogramsforShearThinning ShearThickening non Newtonian ShearThinningShearThickening 62 2 2 2时变性非牛顿流体 流体的粘度不仅随剪切速率变化 而且在相同的剪切速率下 流体的粘度还随剪切应力作用时间的延长而改变 63 这类体系的特征是 当剪切速率一定时 随时间的推移 应力和表观粘度 a都随之下降 1 触变体系 thixotropicfluids 64 t 触变体系的流变特性曲线 一定 静止时 不对称粒子通过粘附力 或次级键 形成一个网状结构 或聚集体 随剪切的延续 时间的推移 粘附力 次级键 逐渐被 打破 故而 a逐渐变小 65 2 3 t 321 1 一开始结构破坏很快 而随时间的变化有一部分键较为牢固难以打破 且剪切力越大 未被打 破的键就越少 反映为 越大 则平衡时的 a就越小 a 66 TypicalTime dependentFlowCurve 67 触变体系与假塑性流体有些类似 68 触变体系流变破坏体系 可逆不可逆 持续剪切 撤去外力 2 流变破坏体系 rheodestructivefluids 此体系在外力作用下的情况与触变体系相似 a 69 T a 新鲜样品 经 剪切实验后放置32hr再进行实验液体鸡蛋的流变特性曲线 70 3 抗流变体系 这类流体的特征是 剪切速率一定时 随作用 时间的推移 应力 和表观粘度 a是逐渐增 加的 t 71 抗流变体系的变化趋势有些类似于胀塑性流体 其结构解释的机理也相仿 抗流变流体与胀塑性流体的区别在于 抗流性流体在撤去外力后缓慢恢复而胀塑性流体是瞬时恢复的 72 触变体系和抗流变体系的流变特性曲线皆存在一个滞后环 触变体系 抗流变体系 73 4 时变性非牛顿流体的流变特性方程 lg a e a bt 式中 e为 a的平衡值 作lg a e 与t的图 若线性关系很好 则可以定出a b 74 lg a e a bt 描述相同剪切速率条件下 表观粘度随 时间的变化 触变体系和流变破坏体系 b 0 表观粘度 随时间的延长而下降 抗流变体系 b 0 表观粘度随时间的延长而 上升 75 3 温度和时间对非牛顿流体粘度的影响 在某一固定剪切速率下 lg a e a T blgt a和b是与体系有关的常数 对于非时变性非牛顿流体 b 0 e 0 对于时变性非牛顿流体 e为表观粘度的平衡 值 76 50S 1 lg a e 500S 11 T 10 lg a e 20 30 lgt 温度和时间对非牛顿流体表观粘度的影响 77 三 浓度对流体粘度 表观粘度 的影响1 理想体系极稀的悬浮液 性质接近理想溶液 粒子不带电 粒子间无作用 粒子与溶剂间无滑移 粒子为刚性 0 1 2 5 Einstein公式 0 溶剂的粘度 溶质的体积百分数 78 2 非理想体系 0 1 a b 2 c 3 其中a 2 5 此式表明 若 很小 则后面的高次项可以忽略不 记 表现为理想体系 粒子的形状对流动性能也是有影响的 上述浓度的影响公式是对球形粒子推导出来的 非球形的粒子 其 要比球形粒子的大 79 s 1 theKriegerandDoughertyequation m m where其中 特性粘度 intrisnicviscosity m 极限堆积体积百分数 80 81 颗粒形状对流体粘度的影响 82 颗粒大小及均匀性对流体粘度的影响 PointPQS 606074 10005001000 large05050 大颗粒与小颗粒体积比 5 1 83 四 分子量对流体粘度 表观粘度 的影响 聚合物的分子量与其溶液的特性粘度正相关 对于聚合物的溶液 其粘度与溶剂粘度的比值为相对粘度 rel 0 溶液粘度大于溶剂粘度的相对增量称为增比粘度 sp 0 0 rel 1 C 84 Lim sp c 增比粘度与浓度的比值称为比浓粘度 rv sp C 特性粘度是比浓粘度外推到C 0时的值 C0 85 对于分子量分布窄的线性高聚物 与分子量成正比 aM a为高聚物类型的常数 即高聚物的类型不同 a的值就不同 对于一般的情况 一般建议采用式 aMb参数b是由分子的构型决定 一般线性分子 b 0 5 1 0 棒状分子b 2 而球状分子 与分子量无绝对的对应关系 它与球状分子的尺寸有关 86 常见的食品用亲水胶体 87 壳聚糖的分子量与特性粘度的关系 1 81 10 3M0 93 温度 25 溶剂 0 1MHAc 0 2MNaCl脱乙酰度 698491100 0 104 10 3M1 12 1 424 10 3M0 96 6 589 10 3M0 88 16 800 10 3M0 81 88 卡拉胶的特性粘度与分子量的关系 水解后的分子量471000900005400035000 特性粘度5 81 40 90 6 Log LogA BLogMLog 4 1604 0 8684LogM 6 91 10 5M0 8684 89 奥式粘度剂 乌式粘度剂 90 91 Viscosity P 10 1 1 01 01 100101 1 Mw Rw MD XanthanD3 75XanthanE3 5XanthanB3 5XanthanC3 2 nm 136133134130 ShearStressdynes cm 2 XanthanGumSuspensions0 33 92 VISCOSITY Pas AqueousSuspensionsofXanthanGum PGA 海藻酸丙二醇酯 10 1 1 01 1 01 001 10010 1000 SHEARSTRESS Pa 1XG PGA 0 33 0 550 33 0 330 33 0 000 00 0 550 00 0 33 Mw MD rw nm XanthanPGA 3 50 27 13436 93 100 1 100010 TheEffectofStabilizer StabilizerBlend andConcentrationontheViscosityofO WEmulsions 40 Oil 100000 10SHEARSTRESS Pa 0 00 0 550 00 0 00 1 XG PGA 0 33 0 550 33 0 330 33 0 00 94 Lowshearviscosityofsolutionsandemulsions Particlesizewascalculatedasmeanvolumediameter 0 04 0 00250 5145 12250 36 1 4 0 1225 710 000 90028 000 280048 100 7200 10 17 1 810 61 0 013 00 0 662 93 0 122 43 0 61 Gumconcentrationsa XG PGA Aqueousviscosity Pa s n 4 Emulsionviscosity Pa s n 2 Emulsionparticlesize m a 0 00 0 000 00 0 550 33 0 000 33 0 330 33 0 55intheaqueousphase 95 PowerlawparametersKandn consistencyindexandflowbehaviorindex forshearthinningregionofaqueoussolutionsandemulsionswithxanthangumandpropyleneglycolalginate ShearStress K ShearRate n Gumconcentrationa XG PGA Aqueoussolutions STW Emulsions 40 oil 0 00 0 000 00 0 330 00 0 550 33 0 000 33 0 330 33 0 55 K 0 01440 04741 63401 55301 6800 n 0 90400 85540 24850 35230 4353 K1 738 3 5415 47611 13514 957 n0 3657 0 27070 33590 27070 2255 a intheaqueousphase 96 五 流体的流动公式 1 牛顿流体的流动公式 圆管中层流流动模型 97 圆管两端的压力差 r2 P 液体流动时沿柱面所受的阻力 2 rL P r 2L 98 P r 2L设液柱表面流速为u 由牛顿流动定律知 du dr P r 2L 管壁处r R时 u 0 对上式进行积分可得圆管中牛顿流体距管中心r处任一点的流速 PR24L u 1 r R 2 99 2 非牛顿流体的流动公式非牛顿流体的流变特性方程为 du dr P r 2LK 1 n K 1 n P r 2L 100 du dr P r 2LK 1 n 管壁处r R时 u 0 对上式进行积分可得圆管中非牛顿流体距管中心r处任一点的流速 2KL 101 理想固体的特征 完全弹性 elasticity 受力后 变形立即发生 且应力与应变成正比 外力撤去后 变形立即恢复 理想固体在应力作用下产生的变形 应变 称为弹性变形 第三章 固体食品的流变性质 102 弹簧是典型的理想固体 F k l L l 103 一 弹性变形 虎克定律 在弹性的极限范围内 物体的应变与应力的大小成正比 k k为比例常数 称之为弹性模量 应变 是无因次量 故而k与 的单位相同 104 根据固体所受应力的不同 弹性变形可归纳为以下3 种 a 受正应力作用产生的轴向应变 b 受表面压力作用产生的体积应变 c 受剪切应力作用产生的剪切应变 105 轴向应变又称拉伸 或压缩 变形 拉伸 或压缩 变形时的弹性模量又称杨氏模量 记作E E L L 1 轴向应变 轴向应力 106 固体在受到轴向拉伸或压缩应力时 轴向会伸长 或缩短产生轴向应变 z 同时为了维持体积 径向也产生应变 H 对于一定的物质 其径 向应变与轴向应变的比值往往是一个常数 称 为泊松比 Poissonratio 记作 H z 根据物体不同 泊松比在0 0 5之间 对于变形时体积不发生改变的物体 泊松比约为0 5 107 拉伸变形的结构解释 成键机理 拉伸时键长被拉伸 体系吸收能量并转化为体系 的位能 因整个分子不是线型的 有一定的键角 在施加外力时 因键角的方向与力的方向不同 有的被拉伸 有的被压缩 体系本身位 能升高 撤去外力后 键角 键长复原 体系释 放出能量 位能降低 108 2 体积应变表面压力 k V V 体积应变时的弹性模量称为体积模量 记作K 109 G 3 剪切应变剪切应力 剪切应变时的弹性模量称为剪切模量 记作G 一般来说固体的剪切模量是杨氏模量的1 2 1 3 110 4 各弹性模量及泊松比之间的关系 在虎克固体的条件下 由于物质具有各向同性 固以上三个弹性模量 E K G 以及泊松比 之间存在着互换关系 如果知道其中两个 其他 两个就可以按关系式计算出来 111 112 113 第四章塑性食品的流变性质 理想塑性 plasticity 的特征 起始性质象固体 在 外力作用下 显示弹性变形 但当应力超过它的 屈服值 y 时 则显示流体的特性 流动性 产生塑性流动 114 对于塑性流动 当应力超过屈服值时 流动特性符合牛顿方程的称为宾汉流动 Binghamflow 流动特性不符合牛顿方程的称为非宾汉塑性流动 115 从结构上分析 塑性的表现与分子间的相互作用有关 分子与分子之间存在着次级键作用 大多数是氢键 还有一些其它作用情况如大分子缠绕等 116 Y 区 弹性响应 区 塑性响应 一 宾汉塑性流体 117 Y 牛顿塑性流变特性曲线 宾汉流动 118 剪切速率 宾汉 Bingham 流动方程 p 塑性粘度系数 y p 应力 y 屈服应力 119 二 非宾汉塑性流体 当受到的应力大于屈服值后 非宾汉塑性流体产生非牛顿塑性流动 根据非牛顿流动的方式 可将非宾汉塑性流体分为 屈服 假塑性流体 屈服 胀塑性流体 120 1 有些非宾汉塑性流体的流动符合幂定律塑性 power lawplastic 赫布方程这是一个三参数的方程 是赫斯挈耳Herschel和布基利艾BulKeley根据塑性流体的宾汉实验模型和幂定律实验模型建立的 式为 n y为屈服值 m 和n 为与体系有关的常数 y m 121 n n 1 剪切变稠 屈服 胀塑性流体 y m 122 屈服 假塑性流动 宾汉塑性流动 屈服 胀塑性流动 y 非宾汉塑性流体的流动特性曲线 123 n y m lg y lgm n lg 124 2 有些非宾汉塑性流体的流动符合卡森 Cusson 模型卡森模型是卡森在研究油墨的流动时仿照赫布方程建立的 也叫卡森幂定律方程式 简称卡森方程 1 2 CA1 2 CA 1 2 CA和 CA分别为卡森屈服应力和卡森粘度 125 m 3 融化巧克力的流变特性与卡森模型 人们在研究巧克力的流变性质时发现 巧克力的实际流动曲线与按卡森方程计算的特性曲线完全一样 因此将卡森方程应用于巧克力流变性质的的研究上 使之成为巧克力流变性质研究的一个重要方程 应用于巧克力时 指数不一定等于1 2 因此应用于巧克力时 一般需要变化一下卡森方程 m ym 126 K K K ModelFitting nn y p y n n1 1 2 10 2 1c 2 1 2 Newtonian PseudoplasticDilatant Bingham Casson Herschel Bulkley 127 TypesOfFlow Bingham PlasticShearThinningPseudoplastic NewtonianDilatantShearThickening Yield y YieldStress 128 ShearStress Pa 0 200 400 600 0 TheProblemwith YieldStress 15010050 y 17Pa ShearRate 1 S CSLEquilibriumFlowdataforSaladDressing 129 ShearStress Pa 0 0 0 5 1 ShearRate 1 s CSLEquilibriumFlowdataforSaladDressing TheProblemwith YieldStress 2010 y 7 5Pa 130 Orbitz SoftDrink ClearlyCanadianCompany Xanthan Gellan HighFructoseCornSyrup Candy Beads Sizeofbead volume 0 02ccdensity 1 34g ccsuspendingphase 1 01g cc 2rg d SedimentationforElasticDrinkSedimentationVelocity d V 29 1 34g cc 1 01g cc 4 65E 5cm s MaximumShearRate 3V 1 29E 51 s2rMaximumStress rg d 0 189Pa3 132 viscosity Pa s FlowCurveofElasticDrink 10000 1 000E 5 1 000E 3 0 1000 1 000 10 00 100 0 1000 shearrate 1 s 1 000E 3 1 000 EquilibriumFlowofElasticDrink1000 ViscosityofWater TAInstrumentsZeroShearRateViscosity ZSV 447Pa s100 010 00 Viscosity ISV 3 3mPa s RegionofShearRatesDuringConsumption 501 s0 10000 01000InfiniteShearRate 133 autogapsetmotor ControlledStressRheometer Schematic t BallSlide AR1000 t DrawRodl tairbearingtdrag cupmotor topticalencoder lSamplePlatetPeltier optional tblank optional lColumnlRheometerHead t Geometry t tAGSencodertcommunicationports NormalForcelTransducert optional RheometerBase l 134 GeometryofShearforRotationalRheometers Plate Plate Cone Plate ConcentricCylinders FixedGap VariableGap 135 2 R Cone PlateGeometry 3 Rm Truncation Rad s 3M Torque MNm 136 Cone Plate TruncationHeight Gap LimitationsoftheCone PlateTruncationHeights 1degree 20 30microns2degrees 60microns4degrees 120microns Gapmustbe or 10 particlesize 137 ConeAnglesandDiametersShearStress2cm4cm6cm AngleShearRate DecreasesIncreases 138 锥板 平板测试体的优缺点 优点 1 试样整体具有均匀的剪切速率 确保实验测得 得结果代表整体试样 2 采用较小角度的锥板 在应力控制方式实验中可获得高达40000sec 1的剪切速率 因此可模拟 范围很广的适用过程 3 锥板 平板组合仅需要少量样品 0 4 2ml 易 于充满和清洗 4 样品量少 可以迅速达到温度平衡 139 缺点 1 如果样品装填不足 容易产生误差 2 锥板角度很小时 锥板和平板之间容易被样品 颗粒卡住 一般来说 锥板的截高应为样品颗粒 尺寸的5 10倍 3 低粘度流体 甚至一些高粘度流体 在高的剪切速率下可能 旋出 测试体 140 Rim ParallelPlateGeometry Dm MNm Torque Rad s Rm 3 2M R Rim R D 141 PlateGapsandDiametersShearStress2cm4cm6cm GapShearRate DecreasesIncreases 0Infinity 142 平行板测试体的优缺点 1 对于一确定尺寸的平行板 其间隙可调 因而较 适合于测定含颗粒的材料以及高粘度的液体 2 平行板测试体的灵敏度高 3 平行板测试体间隙中的剪切速率不均匀 这是它 的最主要的不足 4 在高剪切速率下 某些材料可能出现剪切断裂现 象 143 R R 4 H R2R1 R R R2 R1 ConcentricCylinder RecessedEnd Hm R1 R2 M TorqueMNm Rad s 2222 21 22 2122 Assumesno endeffects 144 双同心圆柱一般用来测试低粘度流体 其主要的优缺点在于 1 具有较大的表面积 测试灵敏度高 2 样品的容纳体积增加 使样品装填和间隙设置变 得更为容易 3 同心圆柱测试体的间隙内剪切速率不均匀 4 测试体质量大 达到温度平衡慢 145 ShearThickening Plastic y Yield Stress 屈服应力 Newtonian 牛顿流体 Dilatant 胀塑性 剪切变稠 ShearThinning 剪切变稀 假塑性 Pseudoplastic 屈服 假塑性流体 Yield Bingham 宾汉塑性流体 146 Log Log 0 FirstNewtonianPlateau PowerLawRegion 10E 6 10E1 10E4 AsphaltBinder Molasses GlycerolCastorOil OliveOilWater 1 2 3 4 5 1 Sedimentation 2 Levelling 3 Pouring 4 Pumping 5 Rubbing 6 Spraying SecondNewtonianPlateau 6 RangeofLab Viscometer LinearViscoelasticity 147 Carrean Yasnda模型 适用于整个全流动曲线 Cross模型 适用于整个全流动曲线 PowerLaw模型 适用于幂定律区 Williamson模型 适用于第一类牛顿区和幂定律区 Sisko模型 适用于幂定律区和第二类牛顿区 148 变形或流动 食品的流变学分类 液体食品 固体食品 塑性食品 粘弹性食 品 在力的作用下只产生流动 在力的作用下只产生变形 在力的作用下在力的作用下变形又流动 149 ViscoelasticityDefined RangeofMaterialBehaviorSolidLike LiquidLike IdealSolid MostMaterials IdealFluidPurelyElastic Viscoelastic PurelyViscous Viscoelasticity Havingbothviscous andelasticproperties 150 第六章 粘弹性体系的流变性质 粘弹性体系既具有类似固体的弹性又具有类似液体的粘性 当向一个粘弹性物质施加应力时 物质会立即发生变形 但是撤去外力后 粘弹性物质只是部分复原 而另一部分则是永久变形 不会再复原 151 solid like Liquid likeViscoelasticfood 152 STORAGE LOSSOFVISCOELASTICMATERIAL SUPERBALLTENNISBALL X LOSSSTORAGE 153 粘弹性的流体产生爬棒现象 154 粘弹性体系流变学特征的描述方法 正应力作用下 的变形规律流变学单元的组合模式 E 155 正弦波应力作用下的变形规律 AR1000 t G G 156 一 正应力模式下表述粘弹性物质流变性质的一些 基本力学模型 1 虎克模型 代表弹性 E 157 设y 1 则d dt t 2 阻尼 粘壶 模型 代表粘性 158 3 麦克斯韦尔模型 Maxwellmodel 应力松弛 stressrelaxation 模型 由一个弹性模型和一个粘性模型串联而成 串联时两模型所受应力相等 体系应变为二者应变之和 弹性变形粘性流动 159 应力松弛 给粘弹性体瞬时加载 施加应力 并 使其发生相应变形 然后保持这一变形 其内部应力变化的过程 160 总应变根据 d dt d Edt 0t 0时 0 t 时 0 得 0e tE 0 E 0 弹性变形 H Ed H dt d Edt 161 0e tE 设 m E 则 0e t m 当t m时 0 e m被定义为松弛时间 即应力松弛为初始值的1 e所需的时间 从 m的定义可以看出 粘度越大 应力松弛时间越长 162 163 冰淇淋的应力松弛实验 164 应力松弛时间与观察时间 观察时间 t 应力松弛时间 DeborahNumber De t De 1Solid De 1viscoelastic De 1liquid 165 4 开尔文 沃格特模型 Kelvin Voigtmodel 蠕变 creep 模型 由一个弹性模型和一个粘性模型并联而成 并联时两模型的变形相等 所受应力为二者应力之和 166 蠕变 给粘弹性体瞬时加栽 施加应力 并保持应力不变 由于体系粘性的存在 虎克体只能逐渐变 形 直到t 时 虎克体 才能伸长到与应力平衡的位置 恒定应力作用下体系应变逐渐变化的过程就称为蠕变 167 阻尼体 N d dt 总应力 E d dt由 0 保持恒定 t 0时 0得 0 E 1 e tE 虎克体 H E 168 0 E 1 e t 0 E 1 e tE 设 K E 则 K 当t K时 0 E 1 1 e 1 1 e 即 K为应变达到最终应变的1 1 e时所需的时间 169 外力突然撤去后 粘弹性体的变形也不可能立即恢复 同样需要一段时间的滞后 称为弹性滞后或延迟弹性 E d dt 此时 0 且应力撤去的瞬间 t t1时 1得 1e t t1 E 由 K E 1e t t1 K 170 为了表示弹性滞后的程度 定义 K为弹性滞后时 间 1e t t1 K K为应力撤去后应变降至原应变1 e所需的时 间 171 172 Strain CreepRecoveryExperiment time t1 t2 RecoveryZone CreepZone E大 小 Creep Recovery 0 aftersteadystate E小 大 173 典型的蠕变食品模型 面团 174 不同分散相体积 分数的油 水乳 状液的蠕变曲线 体积分数增大 175 三 多要素模型 虎克模型 阻尼模型都是组成更为复杂的流变模型的最基本的元件 在流变学中也称为要素 麦克斯威尔模型和开尔文模型都是由虎克模型和阻尼模型以不同的连接方式组成的 它们被称为两要素模型 176 两要素模型能表达粘弹性体的某些流变性质 但还不够全面 为了更确切地用模型来描述实际粘弹性体的力学性质 就需要更多的元件组成所谓的多要素模型 177 1 四要素模型 四要素模型也称伯格斯模型 Burger s model 由 两个虎克模型和两个阻尼模型组成 其基本形式如图 178 a 四要素模型的应力松弛过程 此模型为两个麦克斯威尔模型并联 由并联的一般规律可知 两个模型的应变相等 体系的应力等于两个模型的应力之和 体系在瞬间受力 后 应力松弛过程中体系的变形不变 179 麦克斯威尔1 1 01e t m1 m1 1 E1 01 E1 0 麦克斯威尔2 2 02e t m2 m2 2 E2 02 E2 0 180 四要素模型应力松弛曲线 181 b 四要素模型的蠕变过程 此模型相当于一个开尔文模型和一个麦克斯威尔模型串联 根据串联的一般性 质 串联时两模型的应力相等 体系的总应变为两模型应变之和 体系蠕变是在恒定外 力作用下进行的 182 麦克斯威尔模型的应变 1 E1 1 t 瞬时弹性 粘性流动 开尔文模型的应变 K2 K2 2 E2弹性滞后 延迟弹性 183 四要素模型的蠕变曲线 184 外力撤去后四要素模型的蠕变恢复四要素模型在t1撤去外力后 麦克斯威尔模型中的虎克模型应变立即恢复而阻尼模型的应变保持不变 同时开尔文模型具有蠕变恢复过程 其间的应变为 1e t t1 K2 2 185 186 食品的粘弹性模型 冰淇淋的粘弹性模型 研究不同脂肪含量和不同温度对冰淇淋质构的影响时发现冰淇淋的流变特性的模型 可以用2个开尔文模型 一个麦克斯威尔 模型组成的六要素模型来描述 187 瞬时弹性 冰晶 弹性滞后 凝胶网络结构 弹性滞后 空气泡及蛋白质膜 粘性流动 脂肪 188 四 粘弹性体粘弹性的动态测量 静态粘弹性测定的局限性 1 静态测定时 由于力的大小和方向不变 所以对易流动的 物质 流动会持续下去 很难测定它的弹性 2 对于弹性突出 E小 流动性不明显 大 的物质 应力松弛时间与弹性滞后时间很长 测定费时 而且在测定过程中物料还可能发生生化变化 3 静态测定所要求的阶跃应变或瞬时加载实际上不容易实现4 当变形较大超出线性变化范围 模型与实际误差较大 189 动态粘弹性 给粘弹性体施加以振动 周期变动的应力或应变时粘弹性体所表现出的粘弹性质 动态粘弹性测定的方法有正弦波应力应变试验 脉冲振动试验等 其中最基本和较常用的是正弦波应力应变试验 测定时给试样施加力使物体产生振幅很小的正弦应变 1 什么是动态测量 190 0Sin t 2 f 其中 0为最大振幅的应变 为角频率 弧度 秒 f为振动频率 Hz 体系的变形 0Sin t 2 f d dt 0Cos t 体系的剪切速率 对于弹性固体 E 虎克定律 弹性应力 0cos t 191 0Cos t 显然弹性固体的应力与应变的变化的相位是相同的 而对牛顿流体 粘性 其应力与应变的变化相位相差90 应变落后 对于粘弹性体 应力与应变的变化的相位差应在0 90 的范围内 0 90 此外 由于剪切速率的方向与剪切应力的方向垂直 相位差也是90 因此 对于一个粘弹性体 在进行动态粘弹性测定时 可将应力分解为与应变同相位和与应变相位差为90 的两个分量 分别讨论体系弹性和粘性的大小 0Sin t E 0sin t 192 DynamicMechanicalTestingDeformation Response Phaseangle An oscillatory sinusoidal deformation stressorstrain isappliedtoasample The materialresponse strainorstress ismeasured The phaseangle orphase shift betweenthedeformationandresponseismeasured 193 DynamicMechanicalTestingResponseforClassicalExtremes PurelyElasticResponse HookeanSolid 0 StrainStress PurelyViscousResponse NewtonianLiquid 90 StrainStress 194 DynamicMechanicalTestingViscoelasticMaterialResponse Phaseangle 0 90 StrainStress 195 0cos t 0cos t 0Sin t 2 f 弹性应力粘性应力 粘弹性应力 E 0sin t 0cos t 0sin t 0cos t 0sin t 0 2 在流变学中 将粘弹性体系应力与应变的相位差 称为损耗角 2 粘弹性体系产生正弦应变时需要的应力 E E 0sin t 0sin t 196 E 0sin t 0cos t 0sin t 0cos t G 0sin t G 0cos t G 应力在应变方向的分量 应变 E 0 0 G 称为动力学剪切的贮能模量 是每次剪切变形循环中可恢复的 能量 G 0 0 G 称为动力学剪切的损耗模量 是每次剪切变形循环中消耗掉的 能量 对于某一确定粘弹性体系 在固定剪切速率下 G 和G 是常数 197 G 和G 可作为评价粘弹性体粘性以及弹性大小的指标 在研究粘弹性体系的流变性质时 还引入了损耗角的概念 损耗角正切tan 0 0 G G 损耗角正切表征了体系的粘弹性特征 损耗角正切越大 则粘性成分占优势 体系越表现为流体的特征 损耗角正切越小 则弹性成分占优势 体系越表现为 固体的特征 一般以损耗角正切等于1为界限 3 动态测定时评价体系粘弹性的指标 198 4 动态测定在粘弹性食品流变学测定中的应用 199 ComplexParameters theirComponents G G G delta tandelta G G G stress strainf t G G iG ComplexStorageLossModulusModulusModulus RealRoot ImaginaryRoot 200 SchematicsofDynamicTests AmplitudeSweep FrequencySweep TimeorTemperatureSweep 201 采用动态粘弹性测定时 由于体系产生的是小振幅正弦应变 所以应力对体系本身的结构基本不会破坏 因而可以测定一个粘弹性体系的粘弹性随时间的变化情况 或监测粘弹性体系的形成过程 202 G Pa 1000 0 0 10000 1 0000 10 000 100 00 strain 00 010000 700 0600 0500 0400 0300 0200 0100 0 ExaminationofOscillationWaveformsinLinearRegionofBehavior900 0800 0 NoiseLinearRegion Non LinearRegion 203 G Pa 100 0 0 01000 0 1000 10 00 1 000osc stress Pa 100 010 001 000 20rad s2rad s0 5rad s CriticalStress0 1000 FrequencyDependenceofLinearRegionasaFunctionofStressPolyacrylamideSolution 204 G Pa 0 10000 1 0000 10 000 100 00 strain1000 0 0 10000 010000 100 010 001 000 20rad s 2rad s0 05rad sCriticalStrain FrequencyDependenceofLinearRegionasaFunctionofStrainPolyacrylamideSolution 205 206 1 2 的高甲氧基果胶 2 0 的高甲氧基果胶 207 G Pa delta degrees G Pa n Pa s 100 0 0 1000 1 000 10 00 ang frequency rad sec 10000 10 00 100 0 1000 10000 10 00 100 0 1000 45 00 0 10 005 000 15 00 20 00 30 0025 00 1000 1 000 10 00 100 0 ComparisonofSimilarFoodEmulsionsComparisonofMayonnaiseand MiracleWhip 40 0035 00Mayonnaise MiracleWhip 208 第七章一些食品体系的流变学特性 一 小麦面粉的面团的流变性质 面粉团是食品物质中流变性质最为复杂的物质 之一 通常所用的面团具有粘弹性特征 面团的弹性和延伸性是决定面团特性的重要因 素 根据加工方式及产品质量要求的不同 对面粉团提出不同的弹性和延伸性要求 因而可以应用粘弹性理论和技术 对面团的流变特性进行测定和研究 为面团的调制和加工提供理论分析依据 209 1 制面包的过程 面包的制作工序分为三大部分 a 和面 制面团 b 发酵 c 焙烤 筋力 是评价面团性质和焙烤质量的重要性 质 它是以仪器测定发生气泡的能力和泡内气体保持能力作为基础的 一个好的面包要求外观有光泽 面包心的组织均匀 组织细密 气孔的大小及分布均匀 面包中的气体主要来自于发 酵过程中产生的CO2和焙烤过程中的H2O的蒸发 气体的滞 留量与面团的流变性质有关 210 面团中的气泡 带有膜的气泡 张力很大 若膜破裂 则小泡就会变成大泡 在产品中就会出现气泡大小分布不均 面团外层的气泡膜的破裂则会影响含气量及面包表面的光滑状况 211 2 面包质量的控制因素 人们在研究面团流变性质的过程中 针对面团的特性 设计了一系列专门用于面团流变性质测定的仪器 以Breben- 配套讲稿:
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