Viskoelastisite nedir?

Bir malzemeye bir kuvvet uygulandığında, malzemenin deforme olmasına neden olur. Bu deformasyon iki aşırı uçtan birini alabilir – saf elastik deformasyon (örneğin bir yay) veya saf viskoz akış (örn. Yağ).

Kuvvet, elastik malzemenin belirli bir miktarda hemen deforme olmasına ve viskoz malzemenin kuvvetin uygulandığı tüm zaman boyunca akmasına neden olur. Kuvvet çıkarıldığında, elastik malzeme hemen orijinal haline geri döner, oysa viskoz malzeme eksi haline dönmez.

Elastik davranış genellikle atomlar arasında uzanan (anlık olan) bağlardan kaynaklanır. Viskozite, birbirine geçen atomların veya moleküllerin neden olduğu, zaman alır ama aynı zamanda esneklikten farklı olarak kolayca geri çevrilemez.

Malzemelerin çoğu ikisinin aralarında bir yerdedir. Hem viskoz hem de elastik davranış gösterirler ve buna “viskoelastik” denir. Bu, bir kuvvet uygulandığında, bir başlangıç elastik ‘gerdirme ‘anlamına gelir ve malzeme, kuvvet çıkarılıncaya kadar viskoz bir şekilde deforme olmaya devam eder. Boşaltmadan sonra elastik deformasyon tersine döner, ancak viskoz deformasyon olmaz.

Viskoelastik malzeme ne kadar hızlı olursa deforme olur, elastik davranışa ve viskozdan uzaklaşır. Bu, sürünme ve gevşemenin ilk sırada gerçekleşmesine izin veren zamana bağlı mekanizmalardan kaynaklanır. Deformasyon daha hızlıysa, oluşacak zaman yoktur.

İncelenen ürünün türüne bağlı olarak, farklı oranlarda elastik ve viskoz davranışlar arzu edilir. Bir araba lastiği düşük viskoziteye sahip olmalıdır (bu nedenle ısı birikimi daha az olasıdır), ekmek hamurunun hem viskoz hem de elastik niteliklere sahip olması gerekir (yoğurulduğunda hem karıştırma hem de germe için).

Viskoelastisite, Tekstür Analizörü kullanılarak nasıl ölçülebilir?

Viskoelastik bir materyal, zamana bağlı davranış gösterirken (bir kuvvet uygulandığı sürece gerilimi koruyacaktır), viskoelastisitenin bir ölçümü bir tutma periyodunu içermelidir. Bu genellikle bir numuneyi ayarlanmış bir kuvvete yüklemeyi ve bir zaman zarfında deformasyondaki değişimi gözlemlemeyi (bir ‘sürünme’ testi) veya belirlenen bir mesafeye yüklenmeyi ve mevcut değişikliği gözlemlemeyi (bir ‘gevşeme’ testi) içerir.

Numunelerin sabit ve ölçülebilir bir kesiti kolayca verilebildiği durumlarda, kuvvet ve mesafe yerine stress ve strain sık sık kullanılır. Bununla birlikte, endüstride kalite kontrol testlerinin çoğunluğu için, kuvvet ve mesafeyi (eşit yükseklikteki numuneler için) veya gerilimi (değişken yükseklikte örnekler için) kullanmak daha uygundur. Strain, başlangıç yüksekliğine göre bölünmüş basit bir deformasyon mesafesidir.

Bu ölçümlerin bir istisnası vardır. Viskoelastisiteyi belirlemek için genellikle bir “dinamik modül eğrisi” hesaplanır. Bu genellikle sıvı ile yarı-katı aralığındaki (bir reometrenin gerekli olduğu) numuneler için kullanılır, ancak katı malzemelere de uygulanabilir. Daha karmaşık ve zaman alıcı bir testtir ve her zaman tutarlı geometri numunelerine uygulanmalıdır.

Bir tekstür cihazında sünme ve gevşemeyi (creep and relaxation) ölçmenin birkaç basit yolu vardır:

• Bir Sıkıştırma testi, iki düz plaka (genellikle alet tabanı ve P75 gibi düz bir prob) arasına yerleştirilen bir numuneyi içerir. Prob, nüfuz etmeyi veya kesmeyi önlemek için numuneden daha büyük olmalıdır. İdeal olarak, bu test tipi için örnekler düz, paralel üst ve alt yüzeylere sahip olacaktır. Bununla birlikte, bitmiş bir ürünü test ediyorsanız, bu mümkün olmayabilir. Örneğin, bir çikolata yumurtası ya da bir tabletin test edilmesi gerekiyorsa, ana konu, numuneyi her defasında aynı yönde yüklemek olacaktır. Diğer örnekler, uygun geometriye sahip bir örnek oluşturmak için değiştirilemez. Numune ve plakalar arasındaki sürtünme, viskoelastisite ölçümünde hatalara neden olabilir, ancak bu genellikle küçük bir etkidir. Sürtünmeyi önlemek, numuneyi yağlamak veya prob ve enstrüman tabanına yapıştırmak faydalı olabilir. Ek olarak, sıkıştırmada test yapabildiklerinde sıkıştırma testi yapılırken çok uzun örneklerden kaçınılmalıdır, ancak çok kısa olan numuneler, testin tabana çok yakın olmasından dolayı hatalara yol açabilir.

• Çekme testleri lifli veya elastomerik malzemeler veya kullanım sırasında gerilim altında olan numuneler için kullanışlıdır. Bir çekme testinde, numune çeneler arasında sıkıştırılır. Çoğu durumda, çenelerin uyguladığı basınç malzemeyi zayıflatır ve erken başarısızlığa neden olur. Bu, çentikle (bu kadar kolay tekrarlanabilir olmamakla birlikte) veya ince merkezi kesitte deformasyonu teşvik etmek için numuneyi bir köpek kemiği şekline dönüştürerek önlenebilir. Tırtıklı ve kauçuk kaplı tutucular dahil olmak üzere, temin edilebilen birçok germe çenesi var.

• Bükme testleri bazen viskoelastik ölçümler için de kullanılır, ancak genellikle çekme testi için kolayca sıkıştırılmayan veya sıkıştırma testi için kompakt şekillerde oluşturulmuş uzun örneklerle sınırlandırılır. Aynı zamanda, kırılgan malzemeler için de yararlıdır, çünkü gerçek malzeme deformasyonu ölçülen sapmaya kıyasla küçüktür.

• Girinti testi, temel parametreleri çıkarmak zor olduğundan viskoelastik test için ideal değildir. Bununla birlikte, bazı jeller ve yumuşak malzemeler gibi serbest olmayan (içermesi gereken) numuneler için çok yararlı olabilir. Gerçekleştirmek çok basit – en önemli durum düz bir numune yüzeyidir. Girinti derinliği belirli bir süre boyunca tutulur ve sonuçta ortaya çıkan gevşeme yürürlükte bir düşüş olarak gözlenir.

Viskoelastik Grafikler

Bir gevşeme grafiğinin genel şekli zamanla azalan bir kuvvet gösterirken, bir creep grafiği artan bir deformasyon gösterir. Her iki durumda da, bu davranış moleküler seviyedeki dahili yeniden düzenlemelerden ötürüdür, çünkü numune yükleme kuvveti üzerinde uygulanan kuvvetin kısmi gevşemesine izin verir (veya kuvvete tepki olarak deformasyonda bir artış). Bu, ilk yükleme periyodu sırasında depolanan enerjinin bir kısmını dağıtır. Bu enerji ısı olarak kaybolur. Yükleme kolu kuvveti kaldırdığında, malzeme elastik iyileşme geçirir. Hala probu geri çekiyor, bu yüzden iş yapıyor. Bu işlem sırasında, depolanmış enerjinin geri kalanı kurtarılır. İdeal elastik bir malzemede kayıp enerji yoktur. İdeal viskoz bir malzemede elastik geri kazanım yoktur. Çoğu malzeme bu davranışların arasında bir yerdedir.

Tüm viskoelastik testlerle, sonuçlar test hızı, sıcaklık ve numune kompozisyonu ve geometri gibi test koşullarına bağlı olacaktır. Koşullar aynı tutulduğu sürece, testler mutlak malzeme özelliklerini bulmaktan ziyade örnekleri karşılaştırmak için kullanılır. Örneğin, bir mango küpünün sıkıştırma davranışı, benzer kullanım amaçlı diğer mangoların sıkıştırma davranışı veya iyi bir ürünü temsil ettiği bilinen bir hedef değer bağlamında yorumlanmalıdır.

Sıcaklık, viskoz bileşen üzerinde özellikle büyük bir etkiye sahip olabilir. Daha yüksek bir sıcaklık, moleküllerin daha fazla termal enerjiye sahip olmalarından dolayı daha viskoz davranışlara yol açar, böylece birbirlerini daha kolay geçmelerine izin verirler. Sıcaklık değişikliği çok büyük olmadıkça, sıcaklığın elastik özellikler üzerinde belirgin bir etkisi yoktur. Sıcaklığın viskoelastisite üzerindeki etkisi, özellikle amaçlanan kullanımın sıcaklık aralığı civarında olmak üzere birçok ürün üzerinde çalışılmaktadır.

Stable Micro Systems’ın Tekstür Analizörleri serisi, gıda, kozmetik, ilaç ve malzeme endüstrilerinde bulunanlar gibi yarı katı ve katı ürünler için ideal test çözümüdür. Yukarıdaki tüm ölçümler, özel olarak tasarlanmış problar ve donanımların yanı sıra sıcaklık kontrolü ve özel test dizileri olasılığı ile basitleştirilmiştir. Veri analizi, bir tuşa basarak otomatik olarak yapılabilmektedir.

Gıda Endüstrisinde Viskoelastisite

Gıda maddelerinin büyük çoğunluğu viskoz ve elastik davranışların bir kombinasyonunu gösterse de, birçoğu diğerinden daha fazladır.

Bazı istisnalar vardır – sert krakerler genellikle tamamen elastiktir, oysa yağ ve akan bal genellikle hiçbir elastik davranış göstermez. Viskoelastik testler, çoğu gıda ürününün olağandışı bir geometriye sahip olduğu için karşılaştırmalı bir ölçü olarak en iyi şekilde kullanılır, bu nedenle geleneksel viskoelastik denklemler, temel parametreleri bulmak için kullanılamaz.

Bir kraker ısırıldığında tamamen elastik değilse, bayatlamış olabilir. Bu etkiyi incelemek için viskoz davranış derecesi ölçülebilir. Bu kadar kırılgan bir örnek, kırılmadan kolaylıkla sıkıştırılamaz, bu nedenle çekme testi bir seçenek değildir, ancak eşit olarak sıkıştırma için uygun bir şekil değildir.

En iyi seçenek bükme testi. Çatlak viskoelastisitesini hızlı bir şekilde ölçmek için Üç Nokta kırma donanımını, bir tekstür Analizörü üzerinde kullanılabiliriz. Yükleme kolu, kırıcıya doğru aşağı doğru hareket eder ve bir tetikleme kuvvetine erişildiğinde, ayarlanmış bir mesafeye (ör., 0.5mm) ilerler. Kol durur ve bu mesafeyi belirli bir süre boyunca tutar (ör. 30 saniye). İlk yük sırasında kırılmadığından emin olmak için bu tür kırılgan bir örnek için mesafe küçük olmalıdır. Daha uzun süre açık havada bırakılan krakerlerin daha yumuşak olması muhtemeldir ve bu nedenle aynı mesafeye yüklendiğinde taze açılmış krakerlerden daha büyük bir kuvvet geri kazanımı gösterecektir.

Ayrıca bükme testi için uygun, çerezler sert hamurlu (elastik) kadar neredeyse visko (viskoz) kadar her viskoelastik durumda satılmaktadır. Çerez üreticileri, ürünlerinin tüm dünyada tutarlı olmasını ve her partide aynı olmasını sağlamalıdır. Malzemelerin ve işlemenin, pişirme süresi ve sıcaklığı gibi büyük bir etkisi olacaktır. Diğer birçok gıda ürününde olduğu gibi, bu özellikleri izlemek için güvenilir, hızlı ve kolay bir kalite kontrol sürecine sahip olmak hayati önem taşımaktadır. Stabil Micro Systems’ın Exponent yazılımı, isim ve tarih, otomatik test prosedürleri ve anlık veri analizi ile kaydedilen yığınlar ile bunu çok kolaylaştırıyor.

Çekme testleri lifli veya elastomerik malzemeler için yararlıdır. Bu tür bir test, bir ekmek ürününü, meyan kökü, mozzarella peyniri veya sığır eti dilimleri, çiğnemekten ziyade dişlerle çekme şeklinizi simüle eder.

Peynir viskoelastisitesi son birkaç yıldır yaygın olarak incelenmektedir ve dokusal özellikleri, peynir öğütücüler tarafından verilen duyusal skoru büyük ölçüde etkileyen lezzet kadar önemli olabilir. Peynir, hem gevşeme hem de creep yöntemlerini kullanarak, sıkıştırma testi için ideal olan küboid numunelere kolayca kesilir. Exponent yazılımında, gerekli tüm test ayarlarına sahip olan ve otomatik olarak kullanılmaya hazır olan projeler vardır. Peynir viskoelastisitesi, test sıcaklığı, olgunlaşma süresi ve protein lifi oryantasyonundan (mozzarella gibi gerilmiş bir peynir için) kolaylıkla etkilenir. Bir peynir sıkıştırmasının sıcaklığı, bir Doku Analizörüne bağlı bir Peltier Kabini kullanılarak kontrol edilir. Ek olarak, eğer eriyen peynir ilgi çekiyorsa, peynir uzayabilirlik teçhizatı, eritilmiş peynir kütlesinden çekilen peynir iplikçiklerinin uzamasını ve gücünü incelemek için bir yöntem sağlar.

Bazı malzemeler, tahıllar ve bazı meyve ve sebzeler gibi yukarıdaki test türlerinin herhangi biri için uygun bir geometriye dönüştürülemez. Bu durumda, bu düzensiz şekilleri, düz bir prob ile karşılaştırmalı test için cihaz tabanı arasında sıkıştırmak kabul edilebilir. Her numunenin başlangıç ​​yüksekliği, gerilme yüksekliği olarak kaydedilir ve her seferinde ayarlanmış bir gerilme yüksekliğine test edilerek bazı normalizasyon mümkündür.

Gıda maddelerinin çoğu, farklı yollarla yüklendiğinde viskoelastik davranışa sahip gibi görünmektedir. Bu materyallerin reolojik modellemesi hakkında onları karakterize etmek ve davranışlarını belirli fiziksel koşullar altında tahmin etmek için deneysel prosedürler hakkında sayısız yayın yapılmıştır. Bu viskoelastik modeller, farklı gıda maddelerini temsil edebilen karmaşık davranışları gösteren farklı yay ve kısa çizgi kombinasyonları içerir. Viskoelastik gıdaların modellenmesi konusunda, özellikle tek tip, ölçülebilir örneklerde (örneğin, peynir veya elma küpleri) oluşturulabiliyorsa, birçok yayın yapılmıştır.