不同形状转子对巧克力屈服应力测量的影响

流变学是一门理论与实验并重的学科。获得正确的数据对于做出正确的解释很重要。正确的数据直接取决于选择正确的测量系统和实验配置，以及选择正确的流变模型，使其具有良好的数学拟合度。

本应用报告比较了使用三种不同形状转子的巧克力测量值：平行板(PP50，直径为50 mm的平板)，锥平板(CP 50-2，直径为50 mm，2°夹角的锥板)和同轴圆筒(CC27、直径为27mm的圆柱)。

1 实验装置

在带有Peltier温控系统的MCR 72流变仪上测量巧克力样品，以进行精确的温度控制。

平行板的标准间隙为1 mm，锥板的标准间隙为0.224 mm，而测试温度则保持在40℃。

将样品以10 s-1的剪切速率预剪切10秒钟，以进行均质化和去除记忆。 此后，剪切速率从0.02线性变化到60 s-1。

2 结果与讨论

巧克力是一种剪切变稀的复杂流体，由可可脂，可可粉，乳固体，乳化剂等组成。各种各样的巧克力稠度可满足产品和美学的特定要求。 混合的过程对于产生合适的产品质地和口感非常重要。 充分的混沌混合有助于将可可粉分散得非常细腻，形成丝滑的巧克力。

对于像巧克力这样的多组分系统，较大的测量间隙将有助于避免测量数据中的任何不连续性或非线性。 较大的间隙可促进样品的均匀加载，并防止样品受到额外的法向力。 间隙过小，尤其是对于平行板和锥板来说，可能会导致在加载过程中样品上的法向力过大(挤压流动)，因此会显著改变样品的微观结构。

同轴圆筒的样品加载完全不同，因为整个加载过程中，都是均匀的压力驱动流。

在平行板和锥板几何结构中所经历的挤压流是间接的拉伸流，流体被挤出一个连续变化的间隙。拉伸流在两相体系中产生细小的液滴形态是众所周知的。

由于流场不同，一种巧克力样品可能会产生不同的微观结构。

本文通过不同的测量系统，研究了几何形状对巧克力屈服应力的影响。如图1所示。检查了平行板，锥板和同轴圆筒几何形状的应力增长模式。屈服应力值如表1所示。平行板和锥板系统的计算结果基本一致，而同轴圆筒系统CC27的计算结果较好。

图1：在40℃时使用不同测量系统的巧克力流动曲线

测量间隙最小的是CP50-2(0.224 mm)，中间的为PP50(1 mm)，间隙最大的为CC27(1.13 mm)。 因而，CC27对巧克力破坏应该最小;PP50对巧克力破坏应该稍高，CP50-2对巧克力破坏应该最大。

屈服应力可以通过使用Bingham，Casson或Herschel Bulkley模型来计算。作为曲线函数的Casson和Herschel Bulkley模型给出了很好的数学拟合。Casson模型(见公式1)可实际捕获终端事件，与实验数据非常吻合，并可以准确估算出屈服应力。 另一方面，Herschel Bulkley模型非常适合中等至较高的剪切速率，但高估了屈服应力。

Casson模型

方程1： 为应力， 为屈服应力，η为黏度， 为剪切速率。

几何形状屈服应力

CP50-220.17

PP5019.23

CC2727.93

表1：采用不同的测量系统，根据Casson模型的屈服应力

3 总结

使用CC27以外的测量系统测量巧克力可能会低估其流变性能。对不同测量系统的测量结果进行了比较，结果存在一定的差异;特别是，使用CC27测量的屈服应力明显高于其他几何形状，这是可以预期的，因为它有最大的间隙。另一方面，尽管间隙大小有很大的差异但是PP50和CP50-2的结果却非常相似。因此，可以假定主要的影响来自于间隙的不同流场