用HAAKE智能流變儀探索流體的奧秘
上海珩澤
提起流變儀或者粘度計(jì)，是一個司空見慣的常規(guī)設(shè)備。前不久遇到一個做混凝土生意的，他銷售出去的每一罐混凝土，都要用粘度計(jì)進(jìn)行分析檢測，合格了，建筑公司才會收貨。其實(shí)，作為一款通用設(shè)備，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，只要涉及流體，半固體的工藝優(yōu)化或者配方研發(fā)，粘度計(jì)是一款*的基礎(chǔ)性設(shè)備。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：食品，化工、化妝品、材料、制藥、礦山工程等。
一、食品流體與流變學(xué)
流體通常是一個復(fù)雜的混合體系。對于食品來，流變特性關(guān)系到產(chǎn)品的加工工藝，口感，外觀、貨架期等，是非常重要的一個考察指標(biāo)，現(xiàn)在高校中已經(jīng)有專門論述食品流變學(xué)的書籍。比如巧克力。巧克力zui重要的流變學(xué)參數(shù)就是屈服應(yīng)力值，其流動曲線遵循Casson方程：把流動曲線外推至零剪切速率來確定巧克力的屈服應(yīng)力值。屈服應(yīng)力與巧克力中所含的可可脂肪成分，巧克力漿中的可可粉、糖粉等的磨碎程度及卵磷脂的用量有關(guān)。在涂布巧克力層的時（威化巧克力、冰淇淋巧克力等），涂層的厚度取決于巧克力的屈服應(yīng)力，垂直面厚度取決于其粘度。融化的巧克力的流動行為在很多情況下都是一個關(guān)鍵因素。其生產(chǎn)運(yùn)輸、灌裝、浸漬及注射等過程需要巧克力具有非常適合的粘度及屈服應(yīng)力。同樣，zui終產(chǎn)品的外觀及口感也直接受到其粘性行為的影響。對于巧克力生產(chǎn)公司或者以巧克力為原料的制品公司，比如巧克力曲奇制造商來說，測試其粘度已經(jīng)成為一個標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量控制方法。因此，食品行業(yè)使用流變儀來進(jìn)行質(zhì)量控制和產(chǎn)品研發(fā)顯得非常必要且緊迫。
傳統(tǒng)的食品質(zhì)構(gòu)及其表現(xiàn)狀態(tài)就是用感官檢驗(yàn)來評價的，感官分析實(shí)質(zhì)上是以人作為“儀器”測量產(chǎn)品的感官特性，對產(chǎn)品的質(zhì)地特性（如軟硬等）可以通過一定的感官分析方法用人來測量，口嘗就是一個復(fù)雜的流變過程，咀嚼包括磨、剪、擠壓、壓縮、拉伸等物理過程。通過流變學(xué)的一些測試可以反映食品的質(zhì)量，并可避免感官品嘗中主觀的影響。
粘稠性不僅是液態(tài)食品的感官評價指標(biāo)，而且影響到食品風(fēng)味的接受性。Wood 曾研究液態(tài)食品的粘稠度與品嘗時的反映，并找出其流變學(xué)關(guān)系，指出當(dāng)假塑性時，系數(shù)n＝0.5 時，乳類甜食、湯料、醬類、漿狀食品的口感。這類食品在口中保持穩(wěn)定的流動，當(dāng)有剪切作用（舌動等）時有較低的粘度，若停止剪切，又恢復(fù)原來的粘度，容易吞咽。
做為食品科學(xué)專業(yè)的我，對食品流變學(xué)研究做了簡單的梳理，列舉如下：
蛋白質(zhì)溶液----流變加工研究
凝膠體系----添加劑凝膠化過程;食品安全
淀粉糊化過程----產(chǎn)品工藝控制;原料選擇
飲料----適口性研究
復(fù)配研究----配方體系優(yōu)化;膠源選擇;應(yīng)用開發(fā)(如在蛋糕中應(yīng)用)
表面活性劑----天然助劑開發(fā)
面團(tuán)----粘彈性分析—成品性能預(yù)測;烘焙工藝優(yōu)化;配方優(yōu)化
水果蔬菜----加工研究;果膠
乳業(yè)----奶酪工藝
嬰兒食品----食品安全
二、化工流體與流變學(xué)
我們經(jīng)?？吹绞烷_采的畫面，機(jī)器一刻不停的做著曲軸運(yùn)動。開采出來就是原油。原油是一種多組分復(fù)合物，是世界上zui重要的能源之一。原油及其衍生物在日常生活中具有廣泛的應(yīng)用。但是，隨著需求的增加，原油的開采變得越來越困難。原油的流變性能是其開采和儲運(yùn)過程中非常重要參數(shù)。例如，某溫度下不同剪切速率下的粘度則直接影響其各種應(yīng)用， 比如儲存及運(yùn)輸穩(wěn)定性。其溫度依賴性則直接關(guān)系到不同條件下的運(yùn)輸過程?？焖?，便捷，深入的研究原油的流變行為對原油輸送工藝設(shè)計(jì)，節(jié)省成本具有非常重要的意義。值得驕傲的是，在世界石油開采和加工領(lǐng)域，HAAKE流變儀是作為行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，寫入了各種規(guī)范中。
我把混凝土也歸類到化工領(lǐng)域?；炷潦鞘澜缟蠎?yīng)用zui多的人造材料。這類材料zui重要的一個性能被稱為“可使用性”，其概念是指新鮮的（塑性）混凝土可以通過適當(dāng)?shù)姆椒ǎū热缯駝樱┨畛涞侥＞咧卸唤档推滟|(zhì)量的能力?？墒褂眯匀Q于很多條件，比如其他物質(zhì)在水中的濃度，聚集情況（形狀和尺寸布），水泥的含量及水化時間，并且可以通過化學(xué)添加劑進(jìn)行調(diào)控，比如使用增塑劑或者增加水含量。然而，過多的水會出現(xiàn)很多問題，比如表面出現(xiàn)水紋，強(qiáng)度下降或者砂石分離等，導(dǎo)致質(zhì)量下降。其使用性可以通過混凝土塌落度實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行測試，這是一種非常簡單的測試新鮮混凝土塑化能力的方法，符合ASTM C 143 或者EN12350-2 測試標(biāo)準(zhǔn)。這個實(shí)驗(yàn)的通常將新鮮混凝土放入喇叭狀的塌落度桶里來進(jìn)行評價。首先將桶的大口朝下放在一個平整的，非吸附性表面，分三次填裝新鮮混凝土，每次填裝后用搗錘搗實(shí)后, 抹平。然后
拔起桶, 混凝土因自重而產(chǎn)生塌落。然而，近年來的工作表明通過流變的方法測試新鮮混凝土的屈服應(yīng)力是zui快zui簡單與其塌落度相關(guān)聯(lián)的方法 。這類樣品很難通過旋轉(zhuǎn)流變儀用常規(guī)平行板或者同軸圓筒夾具來測量，因?yàn)樵跍y量過程中很有可能出現(xiàn)壁滑以及在細(xì)小測量間隙的加樣過程中出現(xiàn)過多樣品破壞。因此，對于此類流變測試，通常推薦使用賽默飛TM 哈克TM Viscotest iQ 智能流變儀配合槳葉式夾具。
油漆涂料行業(yè)也是粘度計(jì)的用戶。油墨涂料是一種高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的流體，通常具有多種組分。著色劑如顏料或者燃料可以使其具有各種顏色并提供zui終產(chǎn)品的強(qiáng)度。粘合劑是包裹在顏料外面的成膜組分并可以防止顏料聚集。通用，它們還會影響到zui終產(chǎn)品的性能，比如光滑度，持久度，靈活度及硬度。溶劑可以用作傳輸媒介，并不參與產(chǎn)品zui后成膜。zui后，加入不同種類的添加劑可以用來調(diào)節(jié)表面張力，優(yōu)化觸變行為或者提高zui后成膜的外觀。所有這些組分都會影響到油漆、涂料產(chǎn)品的流動行為。在加工過程，運(yùn)輸及應(yīng)用中，油漆、涂料將會受到不同范圍的剪切速率的影響。比如在加工過程中，材料的可泵送性質(zhì)就于其在中等及高剪切速率下的粘度息息相關(guān)。相反，其保質(zhì)期則取決于低剪切速率下的粘度及其屈服行為。
三、化妝品流體與流變學(xué)
化妝品已經(jīng)成為我們生活中*的一部分。膏霜、乳液、BB霜，唇膏、粉底霜、卸妝液等，各類名稱，層出不窮。比如，牙膏，我們天天在使用。牙膏，是一種具有粘彈性的日常用品。牙膏具備復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其中的各類組分會影響到其流變性能，比如研磨劑可以向牙刷的清潔功能提供支持，水份因子可以防止牙膏邊干以及連接劑可以防止牙膏的水組分和固體的相分離。流變在整個牙膏產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)過程中扮演者重要角色，涉及牙膏的灌裝，包裝以及用戶滿意程度等各個方面。
