《食品的力学性质》PPT课件.ppt

食品物性学 食品科学与工程学院 高 昕 六二楼119室 Tel:e-mail:X 第二章 食品的力学基础(食品流变学) 第一节 概论 第二节 弹性 第三节 粘性 第四节 粘弹性 第五节 食品质地学与感官评价 第四节 粘弹性 1. 麦克斯韦粘弹性(Maxwell) 2. 开尔芬-沃格特模型(Kelvin-Voigt) 3. 多要素模型 4. 时间-温度换算定律 5. 动态粘弹性 6. 非线性粘弹性 7. 破断特性 8. 粘弹性测定仪器 9. 9. 几种食品的流变特性 第四节 粘弹性 1. 麦克斯韦粘弹性(Maxwell) 变形变形 = = 瞬间变形（可恢复）瞬间变形（可恢复） + + 永久变形（不能恢复）永久变形（不能恢复） = = 弹性部分弹性部分 + +粘性部分粘性部分 e e = P/ = P/E + E + ( P/( P/ ) t ) t 瞬间：瞬间： 弹性体弹性体 长时间：粘性体长时间：粘性体 虎克模型：弹性体模型虎克模型：弹性体模型 阻尼模型：牛顿体模型，没有弹性恢复阻尼模型：牛顿体模型，没有弹性恢复 麦克斯韦粘弹性:直列模型 直列模型机理： 弹性位能随时间增长带动阻尼体运动，同阻尼体运动，同 时弹簧体收缩，内部应力减少。时弹簧体收缩，内部应力减少。 应力松弛应力松弛: : 保持外力造成的变形，随时间增长，粘弹性体内部粒子保持外力造成的变形，随时间增长，粘弹性体内部粒子 相互作用抵消应力达到平衡状态的过程。相互作用抵消应力达到平衡状态的过程。 e e = P/ = P/E + E + ( P/( P/ ) t ) t 1/1/E E dP/dtdP/dt + + P/P/ = 0 = 0 t = 0, P = Pt = 0, P = P 0 0 ; t ; t , P = 0, P = 0 P P = P= P 0 0 exp ( - exp ( - E E t / t / ) ) = = P P 0 0 exp ( - exp ( - t t / / m ) ) m = = / / E, E, 松弛时间松弛时间 m 时的变形是初期应力的1/e(1/2.71825) 2. 开尔芬-沃格特模型( Kelvin-Voigt) 外力造成的变形能够完全恢复的粘弹性；蠕变现象外力造成的变形能够完全恢复的粘弹性；蠕变现象 应力应力 = = 弹性部分弹性部分 + + 粘性部分粘性部分 P = P = E E e e + + de/de/dtdt e e = = P P 0 0 / /E E 1 - exp ( - 1 - exp ( - E E t /t / ) ) = = P P 0 0 / /E E 1 - exp (- t / 1 - exp (- t / v ) ) v = = / /E E 弹性滞后时间，弹性滞后时间， v 是应变达到最终应变(1- 1/e)时所需经过的时间 3.3.多要素模型多要素模型 滑块模型（摩擦片）：表示有屈服应力存在的塑性流体性质滑块模型（摩擦片）：表示有屈服应力存在的塑性流体性质 三要素模型：三要素模型：弹性变形、滞后弹性变形弹性变形、滞后弹性变形 e e = = P P 0 0 / /E E 1 1 + + P P 0 0 / /E E 2 2 1 - exp ( - 1 - exp ( - E E 2 2 t /t / ) ) = = P P 0 0 / /E E 1 1 + + P P 0 0 / /E E 2 2 1 - exp (- t / 1 - exp (- t / v) )， ， e e - - e e = ( = (P P / /E E ) / ) / 2.71825 四要素模型等效图 应力松弛应力松弛蠕变过程解析蠕变过程解析 广义麦克斯韦模型 P =P = P P i i = = e e 0 0 E Ei i exp ( - exp ( - t t / / mi ) , ) , mi = = mi / / E Emi E E ( ( t t ) =) = P / P / e e0 0 = = E E i i exp ( - exp ( - t t / / mi ) ) n n n n n i=1i=1i=1i=1 i=1i=1 ( a ) ( a ) 逐次近似法逐次近似法 P - P - e e 0 0 E E1 1 exp ( - exp ( - t t / / 1) ) = = e e 0 0 E Ei i exp ( - exp ( - t t / / mi ) ) n n i=2i=2 (b) (b) 松弛时间分布法：区间段分布论松弛时间分布法：区间段分布论 E E ( ( t t ) =) = P / P / e e 0 0 = = E E i i exp ( - exp ( - t t / / mi ) ) 连续的观点连续的观点 E E ( ( t t ) =) = E E( ( m) exp(-exp(-t t / / m ) ) d d m E(m)：松弛时间分布函数 E(m) dm ：松弛时间曲线， mi和 mi + d d m间各松弛时间所对应E的和 占模型全体E的百分比。 0 0 E E ( ( t t ) =) = HH( (lnln m) exp ( - exp ( - t t / / m ) ) d( d( lnln m ) 取取对数对数 0 0 (c) (c) 松弛范围法：松弛范围法：高分子物体高分子物体 楔子型：短松弛时间范围，高分子链断片的松弛构造引起楔子型：短松弛时间范围，高分子链断片的松弛构造引起 箱形、矩形：较长松弛时间，全体松弛机构构造引起箱形、矩形：较长松弛时间，全体松弛机构构造引起 E E0 0 1010 6 6 (dyn/cm(dyn/cm 2 2) ) E E1 1 1010 6 6 (dyn/cm(dyn/cm 2 2) ) 1 1 (S)(S) 1 1 1010 7 7 (dyns/cm(dyns/cm 2 2 ) ) 破断强度破断强度 1010 6 6 (dyn/cm(dyn/cm 2 2) ) 样品样品1 130.08.3 30.08.3 16.75.0 16.75.0 12.41.712.41.720.84.8 20.84.8 16.42.0 16.42.0 样品样品2 24.30.6 4.30.6 3.50.6 3.50.6 58.210.25.6 20.35.6 8.50.8 8.50.8 应力松弛测定结果 广义沃格特模型 e e = = e e i i = = P P 0 0 ( 1/ ( 1/E E i i ) ) 1- 1- exp(-exp(-t t / / vi ) ) vi = = vi / / E Evi 蠕变柔量 J ( t ) = e / P P 0 0 J ( t ) = ( 1/ ( 1/E E i i ) ) 1- 1- exp(-exp(-t t / / vi ) ) 微分微分 J ( t ) = J( J( v ) ) 1- 1- exp(-exp(-t t / / v ) ) d d v J( J( v ): ): 滞后时间分布函数滞后时间分布函数 J(J( v ) ) d d v : : 滞后频谱 滞后频谱( (regardationregardation spectrum)spectrum) 4.4.时间时间- -温度换算定律温度换算定律 A: 玻璃化领域 B: 玻璃化转移 C: 橡胶状态 D: 流动性橡胶状 E: 流动状态 热流变的单纯性热流变的单纯性(thermo (thermo rheologicallyrheologically simplicity):simplicity): 物体内存在着多种松弛机构（构造），这些机构在松弛过程物体内存在着多种松弛机构（构造），这些机构在松弛过程 中的活化性能（激活能）与其热流变所需能量相等。中的活化性能（激活能）与其热流变所需能量相等。 a a T T = exp( = exp( E / RT )E / RT ) a a T T : : 移位系数，轴平移量；移位系数，轴平移量； E:E:外观激活能外观激活能 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）温度变化影响 Log T/T00 = log T/T0 = log373/298 = log1.2 0 聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（PMMAPMMA）移动系数和温度关系移动系数和温度关系 WLFWLF换算法则换算法则（M.G.Williams, M.G.Williams, R.F.LandelR.F.Landel, J.D.Ferry), J.D.Ferry) Log Log a a T T = - C = - C 1 1 (T-Ts)/(C(T-Ts)/(C 2 2 +T-Ts)+T-Ts) C C 1 1 ,C,C 2 2 : : 定数（高分子固体定数（高分子固体C C 1 1 =8.86,C=8.86,C 2 2 =101.6=101.6）;Ts=Tg+50;Ts=Tg+50 移位系数的移位系数的WLFWLF理论值和实验值的比较理论值和实验值的比较 无定形高分子无定形高分子 ：聚苯乙烯；聚苯乙烯； ：多异乙烯多异乙烯 有机低分子溶液 ：葡萄糖；：甘油；：丙基酒 精；：松香酸；：丙烯二醇 聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（PMMAPMMA） 合成松弛曲线（合成松弛曲线（110110） 单分散聚苯乙烯（单分散聚苯乙烯（PSPS） 合成松弛曲线（合成松弛曲线（115115） 硫化天然橡胶柔度合成曲线（硫化天然橡胶柔度合成曲线（-56-56） 不同分子量聚苯乙烯（不同分子量聚苯乙烯（PSPS）贮藏弹性率合成曲线（贮藏弹性率合成曲线（160160） 冷冻鱼糜的热流变的单纯性冷冻鱼糜的热流变的单纯性 基准温度基准温度3030，活化能，活化能 = 25-30kcal/mol= 25-30kcal/mol 5. 动态粘弹性 静态测定: 简便、直观 缺点 1)粘性突出物质(易流动) 2)弹性突出物质 3)线形变化范围 动态测定（流态物质）：正弦波、共振、脉冲振动式 基本公式: e = e0sin(t-) P = P0sin(t+) P = P0exp(it) = P0cos(t)+iP0sin(t) e = e0sin(t-) = e0cos(t)+ie0sin(t) E* = E + iE” (G* = G + iG”) * = - i” 应用：小振幅、 低频率振动（P 、 e 、频率） 1）内部结构 2）凝胶点测定 3）玻璃化转变温度 4）感官感受性 体系的复合模量与振荡应变的关系 卡拉胶与魔芋胶在冷却和加热过程中G和G的变化 为G；为G 6. 非线性粘弹性 Weisson berg 韦森伯格现象 Sigma 现象 Barus effect 7. 破断特性 脆性破坏：瞬时破碎特性 延性破坏：变形后破坏特性 指标：指标： 1 1）力：切断、拉伸、凹陷）力：切断、拉伸、凹陷 2 2）针入度）针入度 3 3）破断能量）破断能量 硬度硬度(hardness): H(hardness): H 1 1 弹力性弹力性( (springnessspringness): C-B ): C-B 凝集性凝集性(cohesivenss):A(cohesivenss):A 2 2 /A/A 1 1 粘力性粘力性(stickiness): H(stickiness): H 2 2 附着性附着性(adhesiveness)(adhesiveness)：A A 3 3 脆性脆性(brittleness)(brittleness)：F F 胶粘性胶粘性(gumminess)(gumminess)： 硬度硬度凝集性凝集性( (半固形食品半固形食品) ) 咀嚼性咀嚼性( (chewinesschewiness):): 硬度硬度凝集性凝集性弹性（固体）弹性（固体） 质地剖面分析质地剖面分析(TPA)(TPA) 硬度硬度: :第一次穿刺样品时的压力峰值第一次穿刺样品时的压力峰值 弹力性弹力性: :长度长