食品质构与流变学.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,食品质构与流变学,Food Texture and Rheology,钟芳,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.食品流变学及其测量 陈克复等编译，轻工出版社，1989,7.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，1984,8.食品物性学李里特著，中国农业出版社，1998,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,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,早期油墨流变性质测定仪器,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,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,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,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。,五.发展,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,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,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,.,固体食品,：,在力的作用下只发生变形,.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,也有分四类的说法：,固体食品,牛顿流体类,非牛顿流体类,塑性类,粘弹性类,4.粘弹性食品,在力的作用下即产生流动又产生变形,Liquid-like solid-like,Viscoelastic food,SUPER BALL,SOLID,TENNIS,BALL,VISCOELASTIC,WATER BALL LIQUID,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,流变的基本概念,应力,与矢量,F,方向相同，即亦与作用面成,角,F，,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,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/cm,2,国际单位为“帕斯卡”，帕斯卡,=1N/m,2,=10dynes/cm,2,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。,流动与剪切速率,/dt=(dx/dy)/dt=(dx/dt)/dy=du/dy,流体在圆管中的流动状态,Pipe,Parabolic Flow,Profile,Max.velocity,Minimum velocity,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,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。,Area=A(m ),Height=y(m),2,F(N),v(ms ),-,1,Flow,dx,Shear Stress,F/A Pa,Shear Rate,v/y 1/s,Viscosity,Pa.s,剪切应力,剪切速率,粘度,Viscosity mPa.sTemp C,Water0.8925,Milk1.4525,Coconut oil2640,Cocoa butter4140,Cream 40%21048,Glycerine95425,Honey10,00025,Typical Viscosities (Pa,.,s),Typical Viscosities (Pa,.,s),Asphalt Binder,(,沥青,)-,Polymer Melt,(,熔融高分子,)-,Molasses(,糖蜜,)-,Liquid Honey(,蜂蜜,)-,Glycerol(,甘油,)-,Olive Oil(,橄榄油,)-,Water(,水,)-,Air(,空气,)-,100,000,1,000,100,10,1,Typical Shear Rates(s,-1,),Sedimentation,(,沉降,),10,-4,Sagging(,漂流,),10,-3,to 10,0,Compression Molding(,压榨,),Pouring(,倾泻,),10,0,to 10,1,Extrusion(,挤压,),Pumping(,泵送,),10,1,to 10,3,Blow Molding(,鼓风,),Rubbing(,摩擦,)10,3,to 10,4,Injection Molding(,喷射,),Spraying(,喷雾,)10,5,Bearing lubrication(,轴承润滑,)10,6,2.1 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,中的是常数,。,牛顿流体的流动特征,Characteristic Diagrams for Newtonian Fluids,=,Newtonian Equation,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：,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。,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。,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。,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。,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,中的不是常数,。,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),，,流动方程可用幂定律来描述：,幂定律（power-law model),n,：稠度系数(consistency)，,：流动特性指数(power-law index),假设,n,则非时变性流体的状态方程为：,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。,n,（0n）,n=1,，,，,表现为,牛顿流体,n1,，,随 的增大而减大，表现为,剪切变稠,-,shear thickening,(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。,Characteristic Diagrams for Pseudo Plastic Fluids,10,5,10,3,10,1,10,-1,10,-6,10,-4,10,-2,10,0,10,2,10,4,Pa.s,s,10,5,10,3,10,1,10,-1,1 100,1000,Pa,Shear thinning,Pa,s,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,Shear Thinning-Why Does it Occur?,聚集体的解聚,颗粒的定向排列,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。,(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。,a,类牛顿区,类牛顿区,Characteristic Diagrams for Dilatant Fluids,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。,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。,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。,Rheograms for Shear Thinning&Shear Thickening,non-Newtonian,s,h,g,h,Shear Thinning,Shear Thickening,g,g,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。,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),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。,t,3,2,1,2,3,1,一开始结构破坏很快，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,触变体系与假塑性流体有些类似,体系,变化趋势,可逆与否,变化情况,触变体系,剪切变稀,可逆,撤去外力后恢复很慢,假塑性体系,撤去外力后恢复很快,（2）流变破坏体系（rheodestructive fluids),触变体系,流变破坏体系,可逆,不可逆,持续剪切,撤去外力,此体系在外力作用下的情况与触变体系相似,a,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,（,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,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。,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,（,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,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,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,lg(,a,-,e,),1/T,=50S,-1,=500S,-1,10,20,30,lg(,a,-,e,),lgt,温度和时间对非牛顿流体表观粘度的影响,三.浓度对流体粘度(表观粘度)的影响,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,Cream 40%21048,对于弹性固体：/=E (虎克定律),C,Academic Press,1994,=0(1+a+b2+c3+),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:,应力（）：就是作用于单位面积上的力。,理想固体在应力作用下产生的变形(应变,)称为弹性变形。,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；,Injection Molding(喷射),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,-y=m n,剪切速率（shear rate)：表征流体在剪切应力作用,Typical Viscosities (Pa.,当t=m时，=0/e,少量卵磷脂会引起粘度和屈服应力下降；,水解后的分子量 特性粘度,=,0,(1+a+b,2,+c,3,+),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。,其中 ：特性粘度，intrisnic viscosity,m,：极限堆积体积百分数,颗粒形状对流体粘度的影响,颗粒大小及均匀性对流体粘度的影响,Point,f,h,%large,P60,10000,Q6050050,S74100050,大颗粒与小颗粒体积比：,5：1,四.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,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,=Lim（,sp,）/c,C 0,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,=aM,b,参数,b,是由分子的构型决定，一般线性分子；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）,常见的食品用亲水胶体,壳聚糖的分子量与特性粘度的关系,=1.8110,-3,M,溶剂：0.1M HAc+0.2MNaCl 温度：25,脱乙酰度（%）,69 =0.10410,-3,M,84 =1.42410,-3,M,91 =6.58910,-3,M,100 =16.80010,-3,M,卡拉胶的特性粘度与分子量的关系,水解后的分子量 特性粘度,Log=Log A+B Log M,Log=-4.1604+0.8684 Log M,=6.9110,-5,M,乌式粘度剂,奥式粘度剂,10,1,.1,.01,.01,.1,1,10,100,Xanthan E3.5133,Mw Rw,(MD)(nm),Xanthan D3.75136,Xanthan C3.2130,Xanthan B3.5134,Shear Stress dynes/cm2,Viscosity(P),Xanthan Gum Suspensions 0.33%,Aqueous Suspensions of Xanthan Gum&PGA,10,1,.1,.01,.001,.01,.1,1,10,100,1000,SHEAR STRESS(Pa),VISCOSITY(Pa s),0.33 -0.00,XG%-PG%,0.33 -0.55,0.33 -0.33,0.00 -0.33,0.00 -0.55,Mw rw,(MD)(nm),Xanthan 3.5134,PGA0.27 36,The Effect of Stabilizer,Stabilizer Blend,and Concentration on the Viscosity of O/W Emulsions(40%Oil),100,10,1,.1,10,1000,100000,SHEAR STRESS(Pa),XG%-PGA%,0.00-0.00,0.00-0.55,0.33-0.33,0.33-0.00,0.33-0.55,Low shear viscosity of solutions and emulsions.Particle size was calculated as mean volume diameter.,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,圆管中层流流动模型,圆管两端的压力差=r,2,P,液体流动时沿柱面所受的阻力=2r L,=P r/2L,=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 R,2,4L,u=,1-(r/R),2,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,du/dr=(P r/2L,K,),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,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,弹簧是典型的理想固体：,F=k l,L,l,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。,根据固体所受应力的不同，弹性变形可归纳为以下3种：,受正应力作用产生的轴向应变,;,受表面压力作用产生的体积应变,;,受剪切应力作用产生的剪切应变,.,.,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,轴向应力,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,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。,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,剪切应力,=G,=,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,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,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,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,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）,Y,区:弹性响应 区:塑性响应,Y,牛顿塑性流变特性曲线-宾汉流动,宾汉(Bingham)流动方程:,=,y,+,p,:应力，,y,:屈服应力,p,:塑性粘度系数 :剪切速率。,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,(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,=,y,+m,n,y,为屈服值，m和n为与体系有关的常数,=,y,+m,n,n 1，剪切变稠，屈服-胀塑性流体。,y,屈服-假塑性流动,宾汉塑性流动,屈服-胀塑性流动,非宾汉塑性流体的流动特性曲线,-,y,=m,n,lg(-,y,)=lg m+nlg,显然lg(-y)lg 成线形关系。,根据lg(-y)lg 关系曲线，很容易求得m、n,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,=,CA,1/2,+,CA,1/2,CA,和,CA,分别为卡森屈服应力和卡森粘度,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,=,y,m,+(),m,Model Fitting,Types Of Flow,The Problem with Yield Stress,Shear Rate(1/S),The Problem with Yield Stress,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,Sedimentation for Elastic Drink,Sedimentation Velocity,Maximum Shear Rate,2r,Maximum Stress,r,g,=,.,3V,3,rg(d-,r,),s,=,d,9h,2r g(d-,r,),V=,2,1.34 g/cc,1.01 g/cc,=4.65 E-5 cm/s,=1.29 E-5 1/s,=0.189 Pa,Flow Curve of Elastic Drink,Controlled Stress Rheometer:Schematic,Ball Slide,AR 1000,Draw Rod,Rheometer,Head,air bearing,drag-cup motor,optical encoder,Sample Plate,Peltier,(optional),blank(optional),Column,Geometry,Normal Force Transducer,(optional),Rheometer Base,auto gap set motor,AGS encoder,communication ports,Geometry of Shear for Rotational Rheometers,Cone&Plate Geometry,=,.,=,3,R,m,Truncation,Rad/s,3M,2,R,Torque,M,Nm,Limitations of the Cone&Plate,Cone Angles and Diameters,2cm,4cm,6cm,Shear Stress,Angle,Shear Rate,Decreases,Increases,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；,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；,Parallel Plate Geometry,D,m,Torque,M,Nm,Rad/s,R,m,=,2M,3,R,Rim,=,D,R,Rim,.,Plate Gaps and Diameters,2cm,4cm,6cm,Shear Stress,Gap,Shear Rate,Decreases,Increases,0,Infinity,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。,Concentric Cylinder Recessed End,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。,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。,Viscoelasticity Defined,Range of Material Behavior,Solid Like,-,Liquid Like,Ideal Solid,-,Most Materials,-,Ideal Fluid,Purely Elastic,-,Visco,elastic,-,Purely,Viscoelasticity,:Having both viscous,and elastic properties,STORAGE&LOSS,OF VISCOELASTIC MATERIAL,SUPER BALL,TENNIS,BALL,X,STORAGE,LOSS,1.虎克模型-代表弹性,=E,2.阻尼(粘壶)模型-代表粘性,=,=du/dy=u/y,u=y=d/dt,设y=1,则 d/dt=/,=（/）t,3.滑片模型,滑片模型不能独立地表示某种流变性质,它常与其它流变元件组合,表示有屈服应力存在。左图为滑片模型与虎克模型并联成的弹塑性流变模型。,4.麦克斯韦尔模型(Maxwell model),应力松弛(stress relaxation)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,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,弹性变形 ,H,=,/E,d,H,/dt,=d/E dt,粘性流动 d,N,/dt,=/,总应变 d/dt=d/E dt+/=0,根据 t=0时，=,0,t 时，=0,得：=,0,e,-t E/,0,=E,0,=,0,e,-tE/,设:,m,=/E,则:,=,0,e,-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。,5.开尔文-沃格特模型(Kelvin-Voigt model),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。,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,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。,应变（）是无因次量，故而k与的单位相同。,G*=stress/strain f(t)*,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。,在研究粘弹性体系的流变性质时，还引入了损耗角的概念：,四要素模型也称伯格斯模型（Burgers model），由两个虎克模型和两个阻尼模型组成。,粘弹性(viscoelasticity),Dynamic Mechanical Testing Viscoelastic Material Response,Purely Elastic-Viscoelastic-Purely,双同心圆柱一般用来测试低粘度流体。,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:,作为涂抹食品必须具有很好的稳定性和涂抹性，以便于贮藏和食用 ，影响稳定性和涂抹性的主要因素是屈服应力。,du/dr=(P r/2LK)1/n,对于一般的情况，一般建议采用式=aMb,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,Creep Recovery Experiment,从涂抹角度看，当奶油经刮刀剪切后应有一薄层奶油能涂在面包片表面。,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。,虎克体：,H,=E,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/,),=(,0,/E)(1-e,-tE/,),设:,K,=/E,则:,=(,0,/E)(1-,e,-t/,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,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=t,1,时，=,1,得：=,1,e,-(t-t1)E/,由,K,=/E =,1,e,-(t-t1)/,K,为了表示弹性滞后的程度，定义,K,为弹性滞后时间。,=,1,e,-(t-t1)/,K,K,为应力撤去后应变降至原应变1/e所需的时间。,Creep Recovery Experiment,time,t,1,t,2,Recovery Zone,Creep Zone,More Viscous,More Elastic,Creep,Recovery,=0(after steady state),Strain,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。,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。,1.四要素模型,四要素模型也称伯格斯模型（Burgers model），由两个虎克模型和两个阻尼模型组成。其基本形式如图,四要素模型具有多种等效形式,在研究不同流变现象时，为了解析方便，可选用不同的等效模型,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。,麦克斯威尔1,1,=,01,e,-t/m1,m1,=,1,/E,1,01,=E,1,0,麦克斯威尔2,2,=,02,e,-t/m2,m2,=,2,/E,2,02,=E,2,0,四要素模型应力松弛曲线,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.,麦克斯威尔模型的应变:,1,=/E,1,+(/,1,)t,开尔文模型的应变,：,2,=(/E,2,)(1-,e,-t/,K2,),K2,=,2,/E,2,瞬时弹性,粘性流动,弹性滞后-延迟弹性,四要素模型的蠕变曲线,外力撤去后四要素模型的蠕变恢复,四要素模型在t,1,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：,=,1,e,-(t-t1)/,K2,2,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。,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,Deformation under normal force,(,正应力作用下发生变形）,2.Creep,（,蠕变）,3.Oscillation,（,小幅振荡）,4.1 正应力作