例:食品スプレッド
図4は、平行板装置を用いた英国食品スプレッドの振動試験の2つの例を示しています。 材料は1Hzの周波数で時間とともに正弦波状に変化するひずみを受けます。ひずみの振幅は着実に増加し、材料が移動プレートに及ぼすトルクを測定し、せん断応力に変換します。 そして、G′とG″の値が計算されます。 3つの挙動領域が明らかになりました。 低ひずみでは(領域I)、両方の弾性率はひずみに依存しない。これは線形の弾性領域である。 この領域では、G′はG″よりも一桁大きく、材料応答は主に弾性的です。 領域IIでは、Gはひずみの増加とともに減少する。 領域IIIでは、G″>G′となり、粘性応答が支配的になります。つまり、材料は固体的挙動から流体的挙動へと移行したことになります。 0.1% ひずみでは、G″≒G′、これはある臨界ひずみまたは応力、τc(一部の研究者はこれを降伏応力と呼びます。 また、そうではないと主張する人もいるでしょう)。 τc=Gγ′=1000×0.001=1Paからτcの大きさを推定できます。
Marmite® (黒)とNutella® (茶)スプレッドについて、1Hzおよび20℃における平行平板形状の振動せん断試験に対する応答。 縦の破線は領域I-IIIの境界を示す。 実線記号-G′-開線記号-G″。 Dr D Torres Pérezによって収集されたデータ。
図4は、2つのスプレッド製品が非常に似ていることを示唆しているが、Nutella®とMarmite®に詳しい人は、この2つの材料が異なる流れを持っていることを知るだろう。 どちらの材料も非ニュートン性であり、見かけの粘度はせん断速度に依存する。スプレッドを比較するためには、スプレッドする際に刃にかかるせん断速度を知る必要がある。 経験値(一切れのパンが約10cmの幅で、広がるのに5秒かかるとする。 V=0.1/5 m/s)、V〜0.02 m/s、h〜1 mmとなり、せん断速度は20/s程度となることが示唆される。 図5の定常せん断試験のデータから、マーマイト®の見かけ粘度は、スプレッド条件下でヌテラ®よりも顕著に大きいことがわかる。 両者とも、せん断速度の増加とともに見かけ粘度が減少している。これらはせん断により流体の相互作用が破壊されたことを反映しており、せん断減粘と呼ばれている。 多くの複雑な流体はせん断減粘性を示しますが、コーンスターチ懸濁液のようにせん断増粘性を示し、せん断速度とともにηが増加します。
定常せん断試験におけるMarmite®(実線)とNutella®(開線)の見かけ粘度に対するせん断速度の影響。 実線の矢印はせん断速度の増加、破線の矢印はせん断速度の減少を表しています。 平行平板、20℃。
粘弾性測定では、正しい時間スケール(せん断速度の単位はs-1なので、せん断速度は逆数の時間スケール)とせん断速度の選定が重要です。 図5から、代表的でないせん断速度で測定すると、誤った結果が得られることがわかる。 まぶたのまばたきによって作られる涙液膜を考えてみましょう。 まぶたは約150msで約15mm前後に動くので、V~0.1m/sとなります。涙液の厚さを約3μmとすると、涙液の形成に関わるせん断速度は約33000/sとなります。 これは高いせん断速度であり、この領域での測定には専門的な装置が必要になるかもしれません。 この緩和時間は、まばたきの間隔 (約 5 秒) に関連付けることができ、せん断エピソード間で液体が回復するのに必要な時間を決定します。 Nutella®の見かけの粘度は、戻り側で低くなっており、これはチキソトロピーとして知られる特徴で、流体が変形から回復するのに時間を要することと関連している。 Marmite® は、見かけの粘度が戻り側でほぼ一定という珍しい挙動を示しています。
非ニュートン的な挙動は、流体中の成分間の相互作用から生じます。 Marmite®には多くのタンパク質断片が溶解している。多くの生体液はポリマー溶液であり、硝子体液(VH)はコラーゲン線維の水性懸濁液である。 Silvaら1 は、図4と55と同様の手法でウサギのVHのレオロジーを研究し、VHが液相またはゲル相として存在し、いずれも粘弾性であることを示した。
Nutella®は高密度懸濁液であり、ずり減粘は粒子間の相互作用から生じている。 細胞や気泡は、マイクロスケールの特徴として、多くの異なる相互作用を引き起こす可能性がある。 図6は、気泡性液体のせん断によって生じる強い弾性応答の例である。スターラーは一方向に動くが、液体は異なる方向に力を発生させて応答し、衣が棒をよじ登る。 図7の漫画は、平行平板試験で試料を回転させているところです。 発生した上昇力は、法線応力N1-N2の差で表される。 図7のデータから、気泡のない蜂蜜ではN1-N2が一定で小さく、気泡を加えると大きな上昇推力が得られることがわかる。 このような物質が管に沿って流れると、管壁に大きな法線応力が発生する。
気泡性の液体(ケーキ生地)をせん断して発生する弾性応答:棒が液体中で回転すると、棒を登って応答する。 画像提供:Dr A Chesterton.
蜂蜜に空気の泡を加えることによって発生する通常の力の差。 実線記号-蜂蜜:開線記号-気泡入り蜂蜜、気泡体積率は0.13から0.27の範囲である。 許可を得て複製。
非ニュートン挙動の他のタイプの数があります。 粘塑性流体は、臨界応力に達するまで流れないものである。 ビンガム流体は粘塑性流体の最も単純なタイプである。 臨界応力(降伏応力と呼ばれることもある)以下では、弾性体やクリープなど固体のような挙動を示す。 臨界応力以上では、流体は流動し、見かけの粘度はせん断速度に依存します。 粘塑性流体は常にせん断減粘性を示しますが、すべてのせん断減粘性流体が粘塑性流体であるわけではありません。 日常的な例としては、歯磨き粉やヘアジェルがあります。 トマトケチャップはよく粘塑性流体と表現されますが、これまた論外に複雑です。 臨界応力(または降伏応力)の測定は難しい。推定される値は測定方法によって決まることが多いからだ
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