物性导图--粘弹性食品的流变特性

物性导图--粘弹性食品的流变特性知识梳理，包括粘弹性食品的变形、黏弹性食品的弹性及力学模型、黏弹性食品的动态粘弹性、黏弹性食品动态粘弹性参数及测定等等。

粘弹性食品的流变特性

• 粘弹性食品的变形
  • 粘弹性食品
  • 定义
    • 力学性质兼具有不可恢复的永久形变和可恢复的弹性形变。
  • 粘弹性食品特点
    • 威森伯格效应（ The Weissenberg effect ）——爬杆效应
      • 将黏弹性液体放入圆桶形容器中，垂直于液面插入一玻璃棒，当急速转动玻璃棒或容器时，可观察到液体会缠绕玻璃棒而上，在棒周围形成隆起于液面的冢状液柱。
      • 原因：由于液体具有的弹性，使得棒在旋转时，缠绕在棒上的液体将周围的液体不断拉向中心，而内部的液体则把拉向中心的液体向上顶，而形成了沿棒而上的现象。
    • 曳丝性
      • 定量评价
        • 曳丝性的判断方法：将直径为1mm的玻璃棒浸入液体1cm，然后再以5cm/sec的速度提起，用液体丝在断掉前可拉出的程度表示曳丝性的大小。
      • 性质
        • 液体食品：立刻撤去外力时，其形变是不可恢复的，表现为完全黏性行为
        • 固体食品：当外力撤销后，可以完全恢复到原来的状态
        • 半固体食品：会有部分形变恢复，部分形变发生永久变形
      • 原因：链段以下水平的运动，当外力撤去之后，通过分子间的作用力是可以恢复形变的，这时表现出弹性。如果发生了整链运动，则形变不可恢复，表现为永久变形。
        • 弹性原因：链段运动。粘性原因：分子链滑移运动。
  • 黏弹性变形与时间有关
    • 当施加小的力时，分子有大量的时间从它们的纠缠中爬出来，并慢慢地流过彼此。分子或其链段可以保持其最小能量状态，物体表现出以粘性为主的流动行为，通常弹性不明显。 在高变形速率下，弹性分子内和分子间变形将吸收越来越大的变形能，而分子没有足够的时间用于粘性流动。
  • 压缩变形
• 黏弹性食品的弹性及力学模型
  • 弹性
    • 物体在外力作用下发生形变，撤去外力后恢复原来状态的性质
  • 完全弹性
    • 撤去外力后形变立即完全消失的弹性
  • 弹性极限
    • 形变超过某一限度时，物体不能完全恢复原来状态
  • 虎克定律
    • 在弹性极限范围内，外力F和变形量d之间成正关系，即F＝kd，K为弹性系数。
  • E： 弹性模量 (杨氏模量)
    • 在弹性限度范围内，应力和应变之间符合虎克定律，即：σ n ＝ E ε n， 单位是N/m 2
    • 意 义 ：反映的是物质单位变形所需要的力，也就是反映物体变形的难易程 度的物理量。
    • 单位长度的伸长量εn为：εn＝d/L（εn：称为拉伸应变） 单位面积的作用力σn为：σn＝F/Aσn＝F/A（ σn：拉伸应力，N/m2)
    • εe＝ -μ·εn u：是物质的固有常数，称泊松比。它是无量纲的量。 在拉伸或压缩面团、凝胶等食品的过程中，物体的体积不发生变化，则泊松比约等于0.5。海绵状食品，如面包，在压缩的垂直方向没有明显的变形，则μ=0。
  • 模型
    • 单要素
      • (1)虎克模型
        • 定义：在研究粘弹性体时，其弹性部分往往用一个代表弹性体的模型表示。即：用一根理想的弹簧表示弹性的模型。
        • 原理：虎克模型代表完全弹性体的力学表现，加上载荷的瞬间同时发生相应的变形，变形大小与受力的大小成正比。
      • (2)阻尼模型
        • 定义：流变学中把物体粘性性质用一个阻尼体模型表示。
        • 原理：阻尼模型瞬时加载时，阻尼体即开始运动；当去载时阻尼模型立即停止运动，并保持其变形，没有弹性恢复。 阻尼模型既可表示牛顿流体性质，也可表示非牛顿流体性质。
      • (3)滑块模型
        • 定义：滑块模型虽不能独立地用来表示某种流变性质，但常与其他流变元件组合，表示有屈服应力存在的塑性流体性质。
    • 麦克斯韦模型
      • 定义：由一个弹簧和一个粘壶串联组成的。 这是最早提出的粘弹模型。这一模型可以用来形象 地反映应力松弛过程。
      • 原理：当模型一端受力而被拉伸一定长度时，由于弹簧可在刹那间变形，而粘壶由于粘性作用来不及移动，弹簧首先被拉开，然后在弹簧恢复力作用下，粘壶粘性起作用，随时间的增加而逐渐被拉开，弹簧受到的拉力也逐渐减小，直到零。
  • 伏格特-开尔芬模型
    • 定义：由一个弹簧和一个粘壶并联组成, 此模 型可以描述食品的蠕变过程。
  • 静力学现象
    • 静态力学现象：作用在物体上的应力或应变是固定不变的。如：蠕变和应力松弛
    • 应力松弛
      • 定义：指试样瞬时变形后，在变形(应变)不变情况下，试样内部的应力随时间的延长而减少的过程。
    • 蠕变
      • 定义：指把一定大小的力(应力)施加于粘弹性体，物体的变形(应变)随时间的变化而逐渐增加的现象。
      • 过程
        • ①普弹形变（瞬时弹性形变）+②高弹形变（推迟弹性形变）+③粘性流动
        • ① 普弹形变ε1：键长和键角发生变化而引起的，形变量很小，瞬间响应。
        • ②高弹形变ε2：链段运动使分子链逐渐伸展发生构象变化而引起。
        • ③粘性流动ε3：外力作用造成分子间的相对滑移，称为粘性流动。
      • 蠕变：恒温、恒力，形变随时间而发展 应力松弛：恒温、恒形变，应力随时间而衰减
        • 高分子链的构象重排和分子链滑移是导致材料蠕变和应力松弛的根本原因
• 黏弹性食品的动态粘弹性
  • 动力学现象
    • 在交变应力或交变应变作用下材料的力学行为，也称动态粘弹性。主要表现为滞后和力学损耗现象。
    • 滞后现象
      • 定义：黏弹体在受到交变应力作用下所观察到的应变的变化落后于应力的变化的现象。
      • 影响因素
        • 黏弹体的滞后现象与其本身的化学结构有关。刚性分子的滞后现象较小，而柔性分子的滞后现象较严重。
        • 与外力变化的频率相关： 低：链段运动能跟得上外力的变化，滞后现象就很小； 高：链段根本来不及运动，就像一块刚硬的固体，滞后现象也很小； 适中：链段既可以运动，但又跟不上应力的变化，出现较明显的滞后现象。
        • 在外力的频率不变的情况下，与温度有关： 低：链段运动速度很慢，在应力变化的时间内形变来不及发展，无所谓滞后； 高：链段运动很容易，应变几乎不滞后于应力的变化； Tg附近：链段既可以运动，但受到的粘滞阻力又较大，此时滞后现象严重。
      • 产生原因
        • 由于链段在运动时要受到内摩擦阻力的作用，使得当外力变化时，链段的运动跟不上外力的变化，所以应变落后于应力。内摩擦阻力越大，δ也就越大。
    • 力学损耗
      • 定义：粘弹性材料的应变的变化落后于应力的变化，发生滞后现象，在循环变化过程中克服内摩擦阻力，机械能转变为不可逆的热能而消失，称为力学损耗或内耗。
      • 拉伸：外界对黏弹体做功 回缩：黏弹体对外界做功 面积差即为损耗的能量
      • 因此δ又称为力学损耗角。为了方便人们更常用力学损耗角正切tanδ来表示内耗的大小。
      • 影响因素
        • （1）黏弹体中高分子的结构。侧基的大小、和数量：分子链上没有取代基团，其内耗较小；体积较大的侧基、侧甲基数目较多，则内耗较大。橡胶的内耗越大，吸收冲击能量越大，但是回弹性较差。
        • （2） 温度：玻璃化转变温度时出现一个与链段运动有关的内耗峰。当接近粘流温度时，出现与分子链运动有关的内耗极大值。内耗峰出现的温度大小次序：分子链运动的内耗峰＞链段运动的内耗峰＞基团运动的内耗峰。
        • （3）交变应力的作用频率：在频率适中的范围内，链段既能运动又跟不上外力的变化，滞后现象较明显，内耗在这一频率范围将出现一个极大值。
• 黏弹性食品动态粘弹性参数及测定
  • 理想弹性体：没有相位差，没有能量的损耗
  • 理想黏性体：应变与应力有90的相位差，应变落后于应力变化，且全部能量损耗呈热能
  • 黏弹体：应变与应力才存在δ角度的相位差，应变落后于应力的变化，有部分能量的损耗，存在滞后和力学损耗。
  • 弹性参数
    • 复数模量 应力/应变=模量 （物质阻止变形，储存能量的能力，描述物质弹性的物理量）
    • 定义E’为同相位的应力和应变的比值： 实数模量，又称储能模量，表示黏弹体在形变过程中由于弹性形变而储存的能量。 虚数模量，又称损耗模量，表示在形变过程中以热的方式损耗的能量。
    • δ为力学损耗角，tanδ为力学损耗正切，又称耗能因子。反应了内耗的大小。 动态模量的大小用复数模量的绝对值表示，又称绝对模量。通常直接用E’作为材料的动态模量。
  • 动态力学谱
    • 在一定频率下，黏弹体动态力学性能随温度的变化称为动态力学温度谱。通常以lgE’、lgE”和tanδ对温度作图。
      • （A）非晶态聚合物的DMA温度谱
      • （B）结晶聚合物的DMA温度谱
      • （C）交联聚合物的DMA温度谱
    • 在一定温度下，黏弹体动态力学性能随频率的变化称为动态力学频率谱。通常以lgE’、lgE”和tanδ对频率lgω作图
  • 动态力学试验在黏弹体中的应用
    • 可获得黏弹体的玻璃化温度、多重转变、结晶性、交联、相分离、聚集态等微观和亚微观结构的许多信息。 有人把动态力学谱图与电磁波谱相比较，誉为“力谱”。
• 动态流变仪及其应用
  • 测定原理
    • 链段运动受内摩擦力的作用，外力变化时，链段运动跟不上外力变化，应变落后于应力。
  • 控制参数
    • 形变，温度，频率-时间
  • 原件
    • 平行板夹具
    • 锥板/平行板夹具
    • 同心圆筒夹具
    • 固体扭转夹具