食品质构与流变ppt课件

,食品质构与流变学,Food Texture and Rheology,1,REFERENCE,1. Rheology for ChemistsGoodwin J.W., Hughes R.W., RSC , 2000 2.Introduction to Rheology Laba D, Micelle Press, Weymouth, 1997 3. Food Texture and Viscosity Bourne M.C, Academic Press, 1994 4. Measurements in Rheology of food stuffs, J. H, prentice, 1984 5. Food texture and Rheology, P. Sherman, Dept. of Food Sci., Queen,Elijabth Colloge (Univ. of London) England 1979,6. Roeological methods in food process engineering, Steffe, J.F.,Freeman press, 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，1989 8.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,s olid-like,Liquid-lik e Vi s c o e l a s t i c f o o d,17,SUPER BALL, SOLID,TENNIS BALL,VISCOELASTIC,WATER BALL,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（normal stress）:正应力,与截面垂直 t (shear stress): 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（ shear stress),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 Minimum velocity Pipe Parabolic Flow,26,剪切速率（shear rate)：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 ),Flow F (N),dx,Shear Rate,= v/ y 1/s, = / ,剪切应力 Shear Stress = F/A Pa 剪切速率,粘度 Viscosity Pa.s,29,Viscosity mPa.s,Temp C,Water Milk Coconut oil Cocoa butter Cream 40% Glycerine Honey,0.89 1.45 26 41 210 954 10,000,25 25 40 40 48 25 25,Typical Viscosities (Pa.s),30,Typical Viscosities (Pa.s),SAsphalt,Binder(沥青) -,SPolymer Melt (熔融高分子)- SMolasses (糖蜜)- SLiquid Honey (蜂蜜)- SGlycerol(甘油) - SOlive Oil (橄榄油)- SWater (水)- SAir (空气)-,100,000,1,000 100 10 1 0.01 0.001 0.00001,31,Typical Shear Rates (s-1),SSedimentation(沉降) SSagging(漂流),10-4 10-3 to 100,SCompression Molding(压榨),100 to 101 101 to 103 103 to 104,SPouring(倾泻) SExtrusion(挤压) SPumping(泵送) SBlow Molding(鼓风) SRubbing(摩擦) SInjection Molding(喷射),SSpraying(喷雾) SBearing lubrication(轴承润滑),105 106,32, 中的是常数。,2.1 牛顿流体-理想流体,Newtonian Fluid,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,Characteristic Diagrams for Newtonian Fluids,Newtonian Equation ,= ,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),=10B(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,Power Law Expression,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-Newtonian Fluids),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-law index),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-law model),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,（0n）,n=1， 表现为牛顿流体,的增大而减小，表现为剪切变稀-,shear thinning,的增大而减大，表现为剪切变稠-,shear thickening, ,n1 ， 随,n1 ， 随,47,(1)假塑性流体（pseudo plastic fluids),n,n,0n1 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,Characteristic Diagrams for Pseudo Plastic Fluids,105 103 101,10-1 10,-6,102 104,10-4 10-2 100 ,1/s,105 103 101,10-1 0.1,1000,1 100 , Pa,Shear thinning, 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,Shear Thinning - Why Does it Occur?,Unsheared,Sheared,Aggregates,break up,Anisotropic Particles align with the Flow Streamlines Random coil Polymers elongate,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（dilatant fluids),n,n,1n 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,Characteristic Diagrams for Dilatant Fluids,57,Why Shear Thickening,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,shear rate (1/s),0.05000,0.3500 0.3000,TA,An Example of Shear ThickeningInstruments,Flip Chip Underfill Resin + Filler var. % 80癈,0% 0,35%,0.2500 0.2000 65% 0.1500 0.1000,70%,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,Rheograms for Shear Thinning & Shear Thickening,non - Newtonian,Shear Thinning Shear Thickening,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（thixotropic fluids),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,3 2 1, , , 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,Typical Time-dependent Flow Curve,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（rheodestructive fluids) 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: b0, 表观粘度,随时间的延长而下降,抗流变体系: b0, 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-1 1/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+b2+c3+),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, = s1 ,the Krieger and Dougherty equation, , m , m,where 其中 ：特性粘度，intrisnic viscosity 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,Point P Q S, 60 60 74, 1000 500 1000,%large 0 50 50,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,C 0,85,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=0.51.0；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 =1.8110-3 M0.93,温度：25,溶剂：0.1M HAc+0.2MNaCl 脱乙酰度（%）,69 84 91 100, =0.10410-3 M1.12 =1.42410-3 M0.96 =6.58910-3 M0.88 =16.80010-3 M0.81,88,卡拉胶的特性粘度与分子量的关系,水解后的分子量 471000 90000 54000 35000,特性粘度 5.8 1.4 0.9 0.6,Log = Log A + B Log M Log = -4.1604 + 0.8684 Log M =6.9110-5 M0.8684,89,奥式粘度剂,乌式粘度剂 ,90,91,Viscosity (P),10,1,.1,.01,.01,100 10 1 .1,Mw,Rw,(MD) Xanthan D 3.75 Xanthan E 3.5 Xanthan B 3.5 Xanthan C 3.2,(nm) 136 133 134 130,Shear Stress dynes/cm2,Xanthan Gum Suspensions 0.33 %,92,VISCOSITY (Pa s),Aqueous Suspensions of Xanthan Gum & PGA (海藻酸 丙二醇酯）,10,1,.1,.01,.1 .01 .001,100 10,1000,SHEAR STRESS (Pa),1 XG% - PGA%,0.33 - 0.55 0.33 - 0.33 0.33 - 0.00 0.00 - 0.55 0.00 - 0.33,Mw (MD),rw (nm),Xanthan PGA,3.5 0.27,134 36,93,100,1,1000 10,The Effect of Stabilizer, Stabilizer Blend, and Concentration on the Viscosity of O/W Emulsions (40% Oil) 100000,10 SHEAR STRESS (Pa),0.00 - 0.55 0.00 - 0.00 .1,XG% - PGA% 0.33 - 0.55 0.33 - 0.33 0.33 - 0.00,94,Low shear viscosity of solutions and emulsions. Particle size was calculated as mean volume diameter.,- 0.04 0.002 50 5 145 12 250 36,1.4 0.12 25 7 10,000 900 28,000 2800 48,100 7200,10.17 1.8 10.61 0.01 3.00 0.66 2.93 0.12 2.43 0.61,Gum concentrationsa (XG% + PGA%),Aqueou s viscosity (Pa.s),(n=4),Emulsion viscosity (Pa.s) (n=2),Emulsion particle size (m),a,0.00 + 0.00 0.00 + 0.55 0.33 + 0.00 0.33 + 0.33 0.33 + 0.55 in the aqueous phase.,95,Power law parameters K and n (consistency index and flow behavior index) for shear thinning region of aqueous solutions and emulsions with xanthan gum and propylene glycol alginate. (Shear Stress) = K (Shear Rate)n,Gum concentrationa (XG + PGA),Aqueous solutions (STW),Emulsions (40% oil),% 0.00 + 0.00 0.00 + 0.33 0.00 + 0.55 0.33 + 0.00 0.33 + 0.33 0.33 + 0.55,K - 0.0144 0.0474 1.6340 1.5530 1.6800,n - 0.9040 0.8554 0.2485 0.3523 0.4353,K 1.738 - 3.541 5.476 11.135 14.957,n 0.3657 - 0.2707 0.3359 0.2707 0.2255,a,in the aqueou s phase.,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=r2P,液体流动时沿柱面所受的阻力=2r L,= 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:,P R2 4L,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（Poisson ratio），记作,= H /z,根据物体不同，泊松比在00.5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1/21/3,110,4.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,(Bingham flow),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-law plastic)-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Bul Keley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)=lg m+ nlg , ,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 , ,Model Fitting, ,=,= =,=,+,=,+,=,+, ,n n,y,p,y,n,( n 1 ),1,2,1 0,2,1 c,2,1,2,N ew tonian,P seudoplastic D ilatant,B ingham,C asson,H erschel-B ulkley,127,Types Of Flow,Bingham,Plastic Shear Thinning Pseudoplastic,Newtonian Dilatant Shear Thickening,“Yield“, y,Yield Stress,128,Shear Stress (Pa),0,200,400,600,0,The Problem with “Yield Stress“ 150 100 50 y= 17Pa,Shear Rate(1/S) CSL Equilibrium Flow data for Salad Dressing,129,Shear Stress (Pa),0,0,0.5,1,Shear Rate (1/s) CSL Equilibrium Flow data for Salad Dressing,The Problem with “Yield Stress“ 20 10 y= 7.5Pa,130,“Orbitz“ Soft Drink,Clearly Canadian Company,Xanthan/Gellan,High Fructose Corn Syrup,Candy “Beads“ Size of bead,3.5 mm diameter, mass 30 mg,volume = 0.02 cc density = 1.34g/cc suspending phase = 1.01g/cc,131,2r g(d-), =,Sedimentation for Elastic Drink Sedimentation Velocity, =,d,V=,2 9,1.34 g/cc,1.01 g/cc,= 4.65 E-5 cm/s,Maximum Shear Rate . 3V = 1.29 E-5 1/s 2r Maximum Stress,rg(d-) = 0.189 Pa 3,132,viscosity (Pa.s),Flow Curve of Elastic Drink,10000,1.000E-5,1.000E-3,0.1000,1.000,10.00,100.0,1000,shear rate (1/s),1.000E-3,1.000,Equilibrium Flow of Elastic Drink 1000, Viscosity of Water,TA Instruments Zero Shear Rate Viscosity,ZSV = 447 Pa.s 100.0 10.00,Viscosity ISV 3.3 mPa.s,Region of Shear Rates During Consumption, 50 1/s 0.1000 0.01000 Infinite Shear Rate,133,auto gap set motor,Controlled Stress Rheometer: Schematic,t,Ball Slide,AR 1000,t,Draw Rod l,tair bearing tdrag-cup motor,toptical encoder,lSample Plate tPeltier (optional) tblank (optional),lColumn lRheometer Head,t,Geometry,t,t AGS encoder t communication ports,Normal Forcel Transducer t (optional) Rheometer Base,l,134,Geometry of Shear for Rotational Rheometers,P la te & P la te,C o n e & P la te,C o n c en tric C y lin d e r s,F ix ed G ap,Variab le G ap,135,2R,Cone & Plate Geometry,=,.,=,3, ,Rm,Truncation, Rad/s,3M,Torque,MNm,136,Cone & Plate,Truncation Height = Gap,Limitations of the Cone & Plate Truncation Heights: 1 degree 20 - 30 microns 2 degrees 60 microns 4 degrees 120 microns,Gap must be or = 10 particle size!,137,Cone Angles and Diameters Shear Stress 2cm 4cm 6cm,Angle Shear Rate,Decreases Increases,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=,Parallel Plate Geometry,Dm,MNm,Torque Rad/s,Rm,3,2M R, = Rim,R D,.,141,Plate Gaps and Diameters Shear Stress 2cm 4cm 6cm,Gap Shear Rate,Decreases Increases,0 Infinity,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,4H(R2R1),R +R,R2-R1,Concentric Cylinder Recessed End,Hm,R1,R 2,(,.,=,M,Torque MNm Rad/s,=,),(,2 2 2 2,2 1,2 2,2 1 2 2,),Assumes no,end effects,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,Shear Thickening,Plastic,y,Yield Stress,（屈服应力）,Newtonian （牛顿流体） Dilatant （胀塑性）,（ （剪切变稠）,Shear Thinning（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,First Newtonian Plateau,Power Law Region,10 E - 6,10 E 1 .,10 E 4,Asphalt Binder,Molasses,Glycerol Castor Oil,Olive Oil Water,(1) (2),(3),(4),(5),(1) Sedimentation,(2) Levelling (3) Pouring,(4) Pumping (5) Rubbing (6) Spraying,Second Newtonian Plateau (6),Range of Lab.,Viscometer,Linear Viscoelasticity,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,Power Law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,Viscoelasticity Defined,Range of Material Behavior Solid Like - Liquid Like,Ideal Solid - Most Materials - Ideal Fluid Purely Elastic - Viscoelastic - Purely Viscous,Viscoelasticity: Having both viscous,and elastic properties,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,s olid-lik e,Liquid-like Vi s c o e l a s t i c f o o d,152,STORAGE & LOSS OF VISCOELASTIC MATERIAL,SUPER BALL TENNIS BALL,X,LOSS STORAGE,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,AR 1000,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( Maxwell model) 应力松弛(stress rela