Изучение реологических свойств системы, состоящей из глюкоманнана кониака и гидроксипропилметилцеллюлозы.

Реферат: В качестве объекта исследования была выбрана система соединения глюкоманнана кониака (КГМ) и гидроксипропилметилцеллюлозы (ГПМЦ), и были проведены испытания на стационарный сдвиг, частоту и температурную развертку этой системы с помощью ротационного реометра. Проанализировано влияние массовой доли раствора и соотношения соединений на вязкость и реологические свойства системы соединений КГМ/ГПМЦ. Результаты показывают, что составная система КГМ/ГПМЦ представляет собой неньютоновскую жидкость, а увеличение массовой доли и содержания КГМ в системе снижает текучесть раствора составного соединения и увеличивает вязкость. В зольном состоянии молекулярные цепи КГМ и ГПМЦ образуют более компактную структуру за счет гидрофобных взаимодействий. Увеличение массовой доли системы и содержания КГМ способствует сохранению устойчивости конструкции. В системе с низкой массовой долей увеличение содержания КГМ способствует образованию термотропных гелей; в то время как в системе с высокой массовой долей увеличение содержания ГПМЦ способствует образованию термотропных гелей.

Ключевые слова: глюкоманнан коньяка; гидроксипропилметилцеллюлоза; сложный; реологическое поведение

Природные полисахариды широко используются в пищевой промышленности благодаря своим загущающим, эмульгирующим и желирующим свойствам. Глюкоманнан конжака (КГМ) представляет собой природный растительный полисахарид, состоящий из β-D-глюкозы и β-D-маннозы в соотношении 1,6:1, оба соединены β-1,4 гликозидными связями, в C-там представляет собой небольшое количество ацетила в положении 6 (приблизительно 1 ацетил на каждые 17 остатков). Однако высокая вязкость и плохая текучесть водного раствора КГМ ограничивают его применение в производстве. Гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ) представляет собой пропиленгликолевый эфир метилцеллюлозы, относящийся к неионному эфиру целлюлозы. ГПМЦ является пленкообразующей, водорастворимой и возобновляемой. ГПМЦ имеет низкую вязкость и прочность геля при низких температурах и относительно плохую производительность при обработке, но может образовывать относительно вязкий твердый гель при высоких температурах, поэтому многие производственные процессы должны выполняться при высоких температурах, что приводит к высокому энергопотреблению. Производственные затраты высоки. В литературе показано, что незамещенная единица маннозы в молекулярной цепи КГМ может образовывать слабо сшитую гидрофобную ассоциативную область с гидрофобной группой в молекулярной цепи ГПМЦ посредством гидрофобного взаимодействия. Эта структура может задерживать и частично предотвращать термическое гелеобразование ГПМЦ и снижать температуру гелеобразования ГПМЦ. Кроме того, с учетом свойств низкой вязкости ГПМЦ при относительно низких температурах прогнозируется, что ее смешение с КГМ может улучшить высоковязкие свойства КГМ и улучшить его технологические характеристики. Таким образом, в этой статье будет построена система соединений КГМ/ГПМЦ для изучения влияния массовой доли раствора и соотношения соединений на реологические свойства системы КГМ/ГПМЦ, а также предоставлен теоретический справочник по применению системы соединений КГМ/ГПМЦ в пищевой промышленности.

1. Материалы и методы

1.1 Материалы и реагенты

Гидроксипропилметилцеллюлоза, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, массовая доля 2%, вязкость 6 мПа·с; массовая доля метокси 28%~30%; массовая доля гидроксипропила 7,0%~12%.

Глюкоманнан Konjac, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., вязкость водного раствора 1 мас.% ≥ 28 000 мПа·с.

1.2 Инструменты и оборудование

ротационный реометр MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Австрия; установка сверхчистой воды UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; электронные аналитические весы АВ-50, швейцарская фирма Mette; водяная баня с постоянной температурой LHS-150HC, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Электрическая мешалка JJ-1, завод медицинских инструментов Jintan, провинция Цзянсу.

1.3 Приготовление раствора соединения

Взвесьте порошки ГПМЦ и КГМ с определенным соотношением компонентов (массовое соотношение: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), медленно добавьте их в деионизированную воду на водяной бане при 60°C и перемешивают в течение 1,5–2 ч для равномерного распределения и готовят 5 видов градиентных растворов с общей массовой долей твердых веществ 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% и 1,50% соответственно.

1.4 Проверка реологических свойств раствора соединения

Испытание на установившийся сдвиг: реологическую кривую раствора соединения KGM/ГПМЦ измеряли с использованием конуса и пластины CP50, зазор между верхней и нижней пластинами был зафиксирован на уровне 0,1 мм, температура измерения составляла 25 °C, а сдвиг диапазон скоростей составлял от 0,1 до 100 с-1.

Сканирование деформации (определение линейной вязкоупругой области): используйте пластину PP50 для измерения линейной вязкоупругой области и закона изменения модуля раствора соединения KGM/HPMC, установите расстояние до 1000 мм, фиксированную частоту до 1 Гц и температуру измерения до 25 ° C. Диапазон деформации составляет 0,1%~100%.

Развертка по частоте: Используйте пластину PP50 для измерения изменения модуля и частотной зависимости раствора соединения KGM/HPMC. Расстояние установлено на 1000 мм, деформация составляет 1%, температура измерения составляет 25 ° C, а диапазон частот составляет 0,1–100 Гц.

Температурное сканирование: модуль и его зависимость от температуры раствора соединения KGM/HPMC измеряли с использованием пластины PP50, расстояние было установлено на 1000 мм, фиксированная частота составляла 1 Гц, деформация составляла 1%, а температура составляла от 25 до 90 °С.

2. Результаты и анализ

2.1 Анализ кривой потока системы соединения KGM/HPMC

Кривые зависимости вязкости от скорости сдвига растворов КГМ/ГПМЦ с различными соотношениями компонентов при разных массовых долях. Жидкости, вязкость которых является линейной функцией скорости сдвига, называются ньютоновскими жидкостями, иначе их называют неньютоновскими жидкостями. Из кривой видно, что вязкость раствора КГМ и раствора соединения КГМ/ГПМЦ уменьшается с увеличением скорости сдвига; чем выше содержание КГМ, тем выше массовая доля системы и тем более очевидно явление разжижения раствора при сдвиге. Это показывает, что KGM и составная система KGM/HPMC являются неньютоновскими жидкостями, а тип жидкости составной системы KGM/HPMC в основном определяется KGM.

Из индекса текучести и коэффициента вязкости растворов КГМ/ГПМЦ с различными массовыми долями и различными соотношениями соединений видно, что значения n систем соединений КГМ, ГПМЦ и КГМ/ГПМЦ меньше 1, что указывает на то, что растворы все псевдопластические жидкости. Для системы соединений КГМ/ГПМЦ увеличение массовой доли системы вызовет запутывание и другие взаимодействия между молекулярными цепями ГПМЦ и КГМ в растворе, что снизит подвижность молекулярных цепей, тем самым уменьшив значение n система. В то же время с увеличением содержания КГМ усиливается взаимодействие между молекулярными цепями КГМ в системе КГМ/ГПМЦ, что снижает ее подвижность и приводит к уменьшению значения n. Напротив, значение K раствора соединения КГМ/ГПМЦ непрерывно увеличивается с увеличением массовой доли раствора и содержания КГМ, что в основном связано с увеличением массовой доли системы и содержания КГМ, которые увеличивают содержание гидрофильные группы в системе. , увеличивая молекулярное взаимодействие внутри молекулярной цепи и между цепями, тем самым увеличивая гидродинамический радиус молекулы, делая ее менее вероятной для ориентации под действием внешней силы сдвига и увеличивая вязкость.

Теоретическое значение вязкости при нулевом сдвиге системы соединения КГМ/ГПМЦ может быть рассчитано в соответствии с вышеприведенным принципом логарифмического суммирования, а его экспериментальное значение может быть получено с помощью подгонки Каррена путем экстраполяции кривой зависимости вязкости от скорости сдвига. Сравнивая прогнозируемое значение вязкости при нулевом сдвиге системы соединений КГМ/ГПМЦ с различными массовыми долями и различными соотношениями компаундирования с экспериментальным значением, можно видеть, что фактическое значение вязкости при нулевом сдвиге соединения КГМ/ГПМЦ решение меньше теоретического значения. Это указывало на то, что в сложной системе КГМ и ГПМЦ сформировалась новая сборка с плотной структурой. Существующие исследования показали, что незамещенные звенья маннозы в молекулярной цепи KGM могут взаимодействовать с гидрофобными группами в молекулярной цепи HPMC с образованием слабо сшитой гидрофобной ассоциативной области. Предполагается, что новая сборочная структура с относительно плотной структурой в основном формируется за счет гидрофобных взаимодействий. Когда коэффициент КГМ низкий (ГПМЦ > 50%), фактическое значение вязкости при нулевом сдвиге системы КГМ/ГПМЦ ниже теоретического значения, что указывает на то, что при низком содержании КГМ большее количество молекул участвует в более плотном новом состав. При образовании вязкость при нулевом сдвиге системы еще больше снижается.

2.2 Анализ кривых развертки деформации системы соединений KGM/HPMC

Из зависимостей модуля и деформации сдвига растворов КГМ/ГПМЦ с различными массовыми долями и разными соотношениями компаундов видно, что при деформации сдвига менее 10 % значения G′ и G″ системы соединений в основном равны не увеличиваются с деформацией сдвига. Однако это показывает, что в этом диапазоне деформации сдвига составная система может реагировать на внешние раздражители путем изменения конформации молекулярной цепи, и структура составной системы не повреждается. При деформации сдвига >10 % внешнее под действием силы сдвига скорость распутывания молекулярных цепей в сложной системе больше скорости перепутывания, G′ и G″ начинают уменьшаться, и система переходит в нелинейный вязкоупругая область. Поэтому при последующем частотно-динамическом испытании параметр деформации сдвига был выбран равным 1%.

2.3 Анализ кривой развертки по частоте для составной системы KGM/HPMC

Кривые изменения модуля накопления и модуля потерь в зависимости от частоты для растворов КГМ/ГПМЦ с различными соотношениями компаундирования при разных массовых долях. Модуль накопления G' представляет собой энергию, которая может быть восстановлена после временного накопления в испытании, а модуль потерь G" означает энергию, необходимую для начального течения, которое представляет собой необратимую потерю и в конечном итоге преобразуется в тепло сдвига. видно, что с увеличением частоты колебаний модуль потерь G″ всегда больше модуля накопления G′, что свидетельствует о поведении жидкости. В диапазоне испытательных частот модуль накопления G′ и модуль потерь G″ увеличиваются с увеличением частоты колебаний. В основном это связано с тем, что с увеличением частоты колебаний сегменты молекулярных цепей в системе не успевают восстановиться до деформации за короткое время. Предыдущее состояние, тем самым показывая явление, что может запасаться больше энергии ( больше G′) или должен быть потерян (G″).

С увеличением частоты колебаний модуль упругости системы резко падает, а с увеличением массовой доли и содержания КГМ в системе частотная точка резкого падения постепенно увеличивается. Внезапное падение может быть связано с разрушением компактной структуры, образованной гидрофобной ассоциацией между КГМ и ГПМЦ в системе, при внешнем сдвиге. Кроме того, увеличение массовой доли системы и содержания КГМ способствует сохранению устойчивости плотной структуры и увеличивает значение внешней частоты, разрушающей структуру.

2.4 Анализ кривой температурного сканирования композитной системы KGM/HPMC

Из кривых модуля упругости и модуля потерь растворов КГМ/ГПМЦ с разной массовой долей и разными соотношениями компаундирования видно, что при массовой доле системы 0,50 % значения G′ и G″ раствора ГПМЦ почти не изменяться с температурой. , а G″>G′ преобладает вязкость системы; при увеличении массовой доли G′ раствора ГПМЦ сначала остается неизменной, а затем резко возрастает, а G′ и G″ пересекаются при температуре около 70 °C (температура точки пересечения – точка гелеобразования), и система образует гель в это время, что указывает на то, что ГПМЦ представляет собой термоиндуцированный гель. Для раствора КГМ, когда массовая доля системы составляет 0,50% и 0,75%, G' и G системы "демонстрируют тенденцию к уменьшению; когда массовая доля увеличивается, G' и G" раствора КГМ сначала уменьшаются, а затем значительно возрастают, что свидетельствует о проявлении раствором КГМ гелеобразных свойств при больших массовых долях и высоких температурах.

С повышением температуры G' и G'' комплексной системы КГМ/ГПМЦ сначала уменьшались, а затем значительно увеличивались, при этом G' и G'' появлялись точки пересечения, и система образовывала гель. Когда молекулы ГПМЦ находятся при низкой температуре, между гидрофильными группами молекулярной цепи и молекулами воды возникают водородные связи, а при повышении температуры подаваемое тепло разрушает водородные связи, образованные между ГПМЦ и молекулами воды, что приводит к образованию макромолекулярных ГПМЦ. цепи. Обнажаются гидрофобные группы на поверхности, происходит гидрофобная ассоциация и образуется термотропный гель. Для системы с низкой массовой долей большее содержание KGM может образовывать гель; для системы с высокой массовой долей большее содержание ГПМЦ может образовывать гель. В системе с низкой массовой долей (0,50%) присутствие молекул КГМ снижает вероятность образования водородных связей между молекулами ГПМЦ, тем самым увеличивая возможность обнажения гидрофобных групп в молекулах ГПМЦ, что способствует образованию термотропных гелей. В системе с высокой массовой долей, если содержание КГМ слишком велико, вязкость системы высока, что не способствует гидрофобной ассоциации между молекулами ГПМЦ и КГМ, что не способствует образованию термогенного геля.

3. Заключение

В данной работе исследуется реологическое поведение системы соединений КГМ и ГПМЦ. Результаты показывают, что составная система KGM/HPMC является неньютоновской жидкостью, а тип жидкости составной системы KGM/HPMC в основном определяется KGM. Увеличение массовой доли системы и содержания КГМ снижает текучесть раствора соединения и увеличивает его вязкость. В зольном состоянии молекулярные цепи КГМ и ГПМЦ образуют более плотную структуру за счет гидрофобных взаимодействий. Структура в системе разрушается внешним сдвигом, что приводит к внезапному падению модуля упругости системы. Увеличение массовой доли системы и содержания КГМ способствует сохранению устойчивости плотной структуры и увеличению значения внешней частоты, разрушающей структуру. Для системы с низкой массовой долей большее содержание КГМ способствует образованию геля; для системы с высокой массовой долей большее содержание ГПМЦ способствует образованию геля.