HAAKE智能流变仪探索流体的功能

用HAAKE智能流变仪探索流体的奥秘

 上海珩泽

      提起流变仪或者粘度计，是一个司空见惯的常规设备。前不久遇到一个做混凝土生意的，他销售出去的每一罐混凝土，都要用粘度计进行分析检测，合格了，建筑公司才会收货。其实，作为一款通用设备，应用领域相当广泛，只要涉及流体，半固体的工艺优化或者配方研发，粘度计是一款必备的基础性设备。主要应用领域有：食品，化工、化妆品、材料、制药、矿山工程等。

一、食品流体与流变学

      流体通常是一个复杂的混合体系。对于食品来，流变特性关系到产品的加工工艺，口感，外观、货架期等，是非常重要的一个考察指标，现在高校中已经有专门论述食品流变学的书籍。比如巧克力。巧克力Z重要的流变学参数就是屈服应力值，其流动曲线遵循Casson方程：把流动曲线外推至零剪切速率来确定巧克力的屈服应力值。屈服应力与巧克力中所含的可可脂肪成分，巧克力浆中的可可粉、糖粉等的磨碎程度及卵磷脂的用量有关。在涂布巧克力层的时（威化巧克力、冰淇淋巧克力等），涂层的厚度取决于巧克力的屈服应力，垂直面厚度取决于其粘度。融化的巧克力的流动行为在很多情况下都是一个关键因素。其生产运输、灌装、浸渍及注射等过程需要巧克力具有非常适合的粘度及屈服应力。同样，Z终产品的外观及口感也直接受到其粘性行为的影响。对于巧克力生产公司或者以巧克力为原料的制品公司，比如巧克力曲奇制造商来说，测试其粘度已经成为一个标准的质量控制方法。因此，食品行业使用流变仪来进行质量控制和产品研发显得非常必要且紧迫。

      传统的食品质构及其表现状态就是用感官检验来评价的，感官分析实质上是以人作为“仪器”测量产品的感官特性，对产品的质地特性（如软硬等）可以通过一定的感官分析方法用人来测量，口尝就是一个复杂的流变过程，咀嚼包括磨、剪、挤压、压缩、拉伸等物理过程。通过流变学的一些测试可以反映食品的质量，并可避免感官品尝中主观的影响。

       粘稠性不仅是液态食品的感官评价指标，而且影响到食品风味的接受性。Wood曾研究液态食品的粘稠度与品尝时的反映，并找出其流变学关系，指出当假塑性时，系数n＝0.5时，乳类甜食、汤料、酱类、浆状食品的口感Z好。这类食品在口中保持稳定的流动，当有剪切作用（舌动等）时有较低的粘度，若停止剪切，又恢复原来的粘度，容易吞咽。

       做为食品科学专业的我，对食品流变学研究做了简单的梳理，列举如下：
       蛋白质溶液----流变加工研究
       凝胶体系----添加剂凝胶化过程;食品安全
       淀粉糊化过程----产品工艺控制;原料选择
       饮料----适口性研究
       复配研究----配方体系优化;胶源选择;应用开发(如在蛋糕中应用)
       表面活性剂----天然助剂开发
       面团----粘弹性分析—成品性能预测;烘焙工艺优化;配方优化
       水果蔬菜----加工研究;果胶

       乳业----奶酪工艺
        婴儿食品----食品安全

二、化工流体与流变学

     我们经常看到石油开采的画面，机器一刻不停的做着曲轴运动。开采出来就是原油。原油是一种多组分复合物，是世界上Z重要的能源之一。原油及其衍生物在日常生活中具有广泛的应用。但是，随着需求的增加，原油的开采变得越来越困难。原油的流变性能是其开采和储运过程中非常重要参数。例如，某温度下不同剪切速率下的粘度则直接影响其各种应用，比如储存及运输稳定性。其温度依赖性则直接关系到不同条件下的运输过程。快速，便捷，深入的研究原油的流变行为对原油输送工艺设计，节省成本具有非常重要的意义。值得骄傲的是，在世界石油开采和加工领域，HAAKE流变仪是作为行业的标准，写入了各种规范中。

     我把混凝土也归类到化工领域。混凝土是世界上应用Z多的人造材料。这类材料Z重要的一个性能被称为“可使用性”，其概念是指新鲜的（塑性）混凝土可以通过适当的方法（比如振动）填充到模具中而不降低其质量的能力。可使用性取决于很多条件，比如其他物质在水中的浓度，聚集情况（形状和尺寸布），水泥的含量及水化时间，并且可以通过化学添加剂进行调控，比如使用GX增塑剂或者增加水含量。然而，过多的水会出现很多问题，比如表面出现水纹，强度下降或者砂石分离等，导致质量下降。其使用性可以通过混凝土塌落度实验来进行测试，这是一种非常简单的测试新鲜混凝土塑化能力的方法，符合ASTMC143或者EN12350-2测试标准。这个实验的通常将新鲜混凝土放入喇叭状的塌落度桶里来进行评价。首先将桶的大口朝下放在一个平整的，非吸附性表面，分三次填装新鲜混凝土，每次填装后用捣锤捣实后,抹平。然后
拔起桶,混凝土因自重而产生塌落。然而，近年来的工作表明通过流变的方法测试新鲜混凝土的屈服应力是Z快Z简单与其塌落度相关联的方法。这类样品很难通过旋转流变仪用常规平行板或者同轴圆筒夹具来测量，因为在测量过程中很有可能出现壁滑以及在细小测量间隙的加样过程中出现过多样品破坏。因此，对于此类流变测试，通常推荐使用赛默飞TM哈克TMViscotestiQ智能流变仪配合桨叶式夹具。

      油漆涂料行业也是粘度计的用户。油墨涂料是一种高结构强度的流体，通常具有多种组分。着色剂如颜料或者燃料可以使其具有各种颜色并提供Z终产品的强度。粘合剂是包裹在颜料外面的成膜组分并可以防止颜料聚集。通用，它们还会影响到Z终产品的性能，比如光滑度，持久度，灵活度及硬度。溶剂可以用作传输媒介，并不参与产品Z后成膜。Z后，加入不同种类的添加剂可以用来调节表面张力，优化触变行为或者提高Z后成膜的外观。所有这些组分都会影响到油漆、涂料产品的流动行为。在加工过程，运输及应用中，油漆、涂料将会受到不同范围的剪切速率的影响。比如在加工过程中，材料的可泵送性质就于其在中等及高剪切速率下的粘度息息相关。相反，其保质期则取决于低剪切速率下的粘度及其屈服行为。

 三、化妆品流体与流变学

      化妆品已经成为我们生活中必不可少的一部分。膏霜、乳液、BB霜，唇膏、粉底霜、卸妆液等，各类名称，层出不穷。比如，牙膏，我们天天在使用。牙膏，是一种具有粘弹性的日常用品。牙膏具备复杂的结构，其中的各类组分会影响到其流变性能，比如研磨剂可以向牙刷的清洁功能提供支持，水份因子可以防止牙膏边干以及连接剂可以防止牙膏的水组分和固体的相分离。流变在整个牙膏产品研发生产过程中扮演者重要角色，涉及牙膏的灌装，包装以及用户满意程度等各个方面。