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不同浓度黄原胶溶液的流变特性研究

发布日期:2015-02-12 22:44:27

不同浓度黄原胶溶液的流变特性研究和不同浓度

不同浓度黄原胶溶液的流变特性研究黄原胶有很高的低剪切黏度,同时具有明显的剪切稀化特性。浓度的改变影响其流变 行为。本文通过稳态流动、应变扫描及频率扫描试验详细研究了黄原胶不同浓度对其流变特性的 影响,并从微观结构上进行解析。试验得到的各个流变特性参数与浓度之间存在高度相关性,同 时,穗态流动试验得到的各参数与黏烊性之间亦存在高度相关性,通过数理统计分析,对上述相关 性进行拟合并得到一系列方程。

黄原胶是一种微生物多糖,由D~葡萄糖、D- 甘露糖和D-葡萄糖醛酸,不同浓度黄原胶溶液的流变特性研究,以及丙酮酸和乙酸所组 成的“重复单元”以P- 1,4糖苷键聚合成的高分子 多糖聚合物。黄原胶具有突出的高黏度,优良的温 度稳定性和pH值稳定性等特性W。它是水溶性生 物高分子聚合物,其平均分子质量在2 xi〇«〜5 x l〇7u之间。黄原胶微观结构中侧链与主链间通过聚合体状 态存在,侧链葡萄糖醛酸基带负电荷[2]。黄原胶的 浓度会使其溶液的流变性质发生变化,本文通过稳 态流动、应变扫描及频率扫描等试验主要讨论黄原 胶的浓度变化对其零剪切黏度、黏度、剪切稀化指 数、黏度衰减及黏性模量、弹性模量、损耗正切等指 标的影响,并进行相应数理统计分析。
1材料方法
1.1材料与仪器
黄原胶:市售食品级。
AR-G2高级旋转流变仪:美国TA仪器有限 公司;搅拌器:德国IKA数显欧洲之星;分析天平:
Mettler _ Toledo,感量 0. 001 g;烘箱:FED115,德 国 Binder。
1.2方法
1.2.1黄原肢溶液配置方法 用烘箱干燥法得到黄原胶水分含量,分别称取
干基质量为 〇• 5 g、l. 0 g、l. 5 g、2. 0 g、2. 5 g、3. 0 g、
3. 5 g、4. 0 g、4. 5 g、5. 0 g 的黄原胶于 600 mL 高型 烧杯中,不同浓度黄原胶溶液的流变特性研究,加水浸润过液(其中水的质量=500 g-称 取的黄原胶质量)。在700〜900 r/min的转速下搅 拌分散2〜3 h,取下后用保鲜膜封口,置于冰箱中 冷藏并放置过夜。
1.2.2黄原胶溶液流变测试方法 测试夹具:60 mm平行板。
稳态流动试验:测试间距:750 pm;测试温度:
25 r;100 s—1下预剪切3 min;剪切后平衡15 min;
剪切速率范围:0. 001〜100 S—1。
应变扫描试验:测试间距:500 pm;测试温度:
25 上样后平衡5 min;频率:1 Hz;应变扫描范 围:0• 1%〜1 000%。
频率扫描试验:测试间距:500 pm;测试温度: 25 上样后平衡5 min;应变频率扫描范 围:0• 1 〜100 Hz。
2结果与分析
2.1稳态流动试验
在低剪切速率范围内,取剪切速率0.01 s'1时 黏度为零剪切黏度(T}。)。另外,选取剪切速率 10时的黏度测试值作为黏度值(T})。本文应用
Cross方程对0. 01〜100 s—1区间进行拟合,得到剪 切稀化指数,另外,对于黏度衰减,则通过63 s'1时 的黏度值与6. 3 s—1时的黏度值之间的比值来表达。 对于0. 1%〜1. 0%各浓度下的黄原胶溶液分别进 行稳态流动试验,并相应进行重复性试验,其结果如 表1。 
表1黄原胶各浓度的穰态流动试验数据
黄原胶浓度T/0,均值V7)均值剪切稀化剪切稀化黏度衰减黏度衰减
/%/Pa • s/Pa • s/cP/cP指数指数均值/°/〇均值/%
0. 39040. 150. 51831.94
0. 10. 4520.42140. 3540.250.5120. 51531. 8831.91
4. 168137.60. 64022. 86
0.24. 5294. 35142.6140. 10. 6450.64322. 5622.70
20. 89310.80. 72618. 57
0.320. 1920. 54305. 1307. 950.7240. 72518. 6818.63
67. 90567. 80. 78116. 34
0.464. 4466. 17546. 5557. 150. 7790.78016. 4016. 37
155. 9852. 00. 81814.91
0. 5168.5162. 2875. 8863. 90. 8220. 82014. 7614. 83
221.21 0300. 83514.32
221.91 0420. 83314. 40
0.6225.9226. 71 0361049. 50. 8350.83514. 2914.33
237.91 0900. 83614. 29
392.71 4090. 86613. 26
0. 7402. 7396. 831 4441 425. 30. 8620.86413. 4513.37
395. 11 4230. 86313. 39
625.21 8930. 89312. 49
0.8646.86361 9251 9090.8960. 89512.4312. 46
黄原胶浓度%均值Vtj均值剪切稀化剪切稀化黏度衰减黏度衰减
!%/Pa • s/Pa • s/cP/cP指数指数均值/%均值/%
957. 62 4790. 90812,05
0.9888.7923. 152 3692 424. 00.9080. 90812. 0912.07
1 2243 1320. 90112. 12
1.01 1801202. 003 0853 108. 50. 8980.90012.2212. 17
黄原胶各浓度下测试得到的稳态流动曲线如图1。
图1黄原胶各浓度稳态流动曲线 
同样,黄原胶溶液具有低剪切力牛顿流体域以 及剪切稀化域。从微观结构可以想象,牛顿流体域 中系统重新排列的速率大于剪切变形的速率(即聚 合物分子重新缠绕速率大于被剪切拉伸的速率)。 然而,大于一定剪切速宰后,高分子链在溶液中解缠 结以及分子链在流动方向上取向,使得重新排列的 速率小于挤压变形速率,出现剪切稀化现象。另外, 随着浓度增加,使链段密度增加,与分子量变化作用 相同,通过分子间作用力的增强使零剪切黏度及黏 度相应增加,而黏度衰减值却减小,表明随着溶液浓 度增加,样品越易剪切变稀ra。
将各浓度下的零剪切黏度对数、黏度对数、剪切 稀化指数及黏度衰减值与浓度分别作图,结果如图 2〜图5。 
因,可能是因为在高浓度条件下容易借静电及分子 间相互作用形成彼此缠绕的空间网络结构,从而导 致体系的黏弹性增强。损耗正切值随浓度增大而减 少。一般而言,损耗正切值越大,体系耗散能量的能 力越强,其内耗或内磨擦力越大。浓度较高的黄原 胶溶液具有较低的损耗正切值,表明该体系中链段 运动的内磨擦阻力较小,即体系的黏性响应相对较 小而多表现出弹性行为。
从以上各图可以看出,零剪切黏度对数值、黏度 对数值及剪切稀化指数与浓度间存在高度的相关 性,进行方程拟合,两者为对数关系,另外,不同浓度黄原胶溶液的流变特性研究,黏度衰减 与浓度间亦存在高度相关性,方程拟合表明两者为 乘幕关系。
2.2应变扫描
对于0. 1%〜1.0%各浓度下的黄原胶溶液分 别进行应变扫描试验,其结果从应变扫描曲线看出, 黄原胶溶液除了 0.1%浓度的线性区域弹性模量小 于黏性模量外,随着浓度增大,弹性模量均大于黏性 模量,且浓度越大,损耗正切值越小,表明溶液越来 越趋向于类“固体”。应变扫描试验数据见表2。
从表2看出,溶液浓度越高,体系的弹性和黏性 越强,表明溶液浓度影响体系的黏弹性能;究其原
12. 334. 280. 346
20. 055.950. 297
0.721.0520.556. 176.060. 2930. 295
25. 116.980. 278
0.824. 4824. 806. 876. 930.2810. 280
30. 848. 170. 265
0.930. 6930. 778. 158. 160. 2650. 265
43. 2810. 600. 244
1.045.0444. 1610.8510. 730.2410. 243
将各浓度下的弹性模量、黏性模量及黏弹性比 值与浓度分别作图,结果如图6〜图8。
2.3频率扫描
0. 1%〜1. 0%各浓度下的黄原胶溶液在0. 1〜 100 Hz范围内分别进行频率扫描试验,其结果从频 率扫描曲线可以看出,0. 1%浓度的黄原胶溶液在 0. 628 3〜14. 26 rad/s范围内G'CG%其余浓度的 
 
图8黄原胶浓度与损耗正切的关系 
溶液均在整个频率扫描范围内在很宽的 频率范围内,与G"均具有明显的频率依赖性,且 随着浓度增大黄原胶体系对频率依赖性减弱,因为 大分子交联或缔合的程度是随着其浓度的增加而增 强的,另外可能由于黄原胶质量分数的上升“弱凝 胶,,磕构逐渐形成和加强。
2.4弹性模量与零剪切黏度及黏度的关系
将黄原胶各浓度下的稳态流动试验得到的零剪 切黏度对数、黏度对数、黏度衰减对数及剪切稀化指 数分别与应变扫描线性黏弹区的弹性模量对数进行 比较分析,表明两类特性指标间存在高度相关性,相 关系数均大于0. 99,如图9〜图12。
除此之外,零剪切黏度对数、黏度对数、黏度衰 减对数及剪切稀化指数分别与应变扫描线性黏弹区
的黏性模量对数或损耗正切对数进行比较分析,表 明两类特性指标间亦存在高度相关性,相关系数均 大于0.99。 
传统速溶茶产品优势,而且改善了理化性状,完善了 营养结构,丰富了产品风味,更符合健康、安全、卫 生、绿色、营养平衡高品质速溶茶产品的消费诉求, 具有广阔的市场前景。
结论
黄原胶溶液具有明显的假塑性,黏度随剪切速率 的增加而降低,但在低剪切速率下亦具有明显的黏度 平台区。通过动态试验证实,在浓度范围内,黄 原胶黏弹性具有明显的频率依赖性,不同浓度黄原胶溶液的流变特性研究,且随着浓度增大 黄原胶体系对频率依赖性减弱。除了 0.1%浓度的 黄原胶溶液在低频区GVj、于外,其余高浓度的黄 原胶在整个频率扫描范围内G'X?'。在1%浓度范 围内,黄原胶的零剪切黏度、黏度、剪切稀化指数、黏 度衰减及弹性模量、黏性模量、损耗正切与浓度之间 存在高度的相关性。另外,稳态流动特性指标零剪切 黏度对数、黏度对数、黏度衰减对数及剪切稀化指数 分别与应变扫描线性黏弹区的弹性模量对数、黏性模 量对数或损耗正切对数之间具有高度相关性。
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