- 上海保圣流變儀助力武漢輕工大學(xué)楊柳副教授團(tuán)�(duì)在《Heliyon》發(fā)表大米淀粉凝膠用于直�3D打印研究文章
- �(fā)布日期:2024-03-06 瀏覽次數(shù)�1387
- 增材制�(AM)是一種將打印材料逐層添加到產(chǎn)品構(gòu)建中的先�(jìn)制造技�(shù),與傳統(tǒng)制造相�,在制造復(fù)雜零件的效率和響�(yīng)性方面都具有顯著�(yōu)�(shì)。作為AM之一,基于噴墨技�(shù)的直�3D打印已經(jīng)引起了廣泛的�(guān)�。支鏈淀粉和直鏈淀粉是大米淀粉顆粒中的天然聚合物,在特定條件下可形成交聯(lián)�(wǎng)�(luò)�(jié)�(gòu)的凝�,具有潛在的印刷性能。武漢輕工大�(xué)楊柳副教授團(tuán)�(duì)在《Heliyon》期刊(IF=4)上�(fā)表了題目�“Research on rice starch gel preparation and crosslink network structure-rheological property based on direct-writing 3D printing ”的文�(DOI:10.1016/j.heliyon.2024.e24057),為大米淀粉凝膠用于直�3D打印提供了新的研究方法和理論指導(dǎo)。文章中提出了一種性能�(wěn)定的水稻淀粉凝膠制備方�,并且通過(guò)RVA試驗(yàn)分析了制備過(guò)程中淀粉顆粒的相變�(jī)�;在不同濃度的條件下�(cè)試了凝膠表面張力和接觸角,建立相�(guān)性,反映出凝膠分子間�(nèi)聚力和交�(lián)�(wǎng)�(luò)之間宏觀形態(tài)的競(jìng)�(zhēng)�(jié)�;使用掃描電鏡揭示不同淀粉分子組分比例的典型交聯(lián)�(jié)�(gòu),為淀粉凝膠流變性質(zhì)的變化提供了客觀的支���1 大米淀粉制備的所有凝膠樣��1 大米淀粉凝膠制備示意圖文章中使用了上海保圣的流變儀�(lái)�(cè)定大米淀粉凝膠的流變特性,那么具體是怎樣操作的呢?�(cè)試方法及分析�(jié)�剪切�(qiáng)度實(shí)�(yàn)方法本實(shí)�(yàn)使用旋轉(zhuǎn)流變儀(RH-20;Bosin Tech,上海)�(lái)表征制備的大米淀粉凝膠的力學(xué)性能。在�(cè)試前,使用直徑為50 mm的平行板,將淀粉凝膠放置在間隙�1 mm的試�(yàn)平臺(tái)�。剪切速率�0.1-100s− 1 ,在振蕩試驗(yàn)中設(shè)置角度頻率為1.5-150 rad/s,恒定應(yīng)�?yōu)?%。在�(shí)�(yàn)�(guò)程中,記錄淀粉凝膠的�(dòng)�(tài)粘度η和剪切模量G,分析出凝膠�(nèi)物理交聯(lián)�(wǎng)�(luò)的力�(xué)性能。使用公式(1)計(jì)算淀粉凝膠剪切模��τ. γ-1 �1�其中,G為大米淀粉凝膠的剪切模量�τ為交�(lián)�(jié)�(gòu)斷裂�(shí)的剪切應(yīng)��γ為剪切應(yīng)��流動(dòng)特性實(shí)�(yàn)方法�(dòng)�(tài)粘度是流體和粘彈性材料的固有特�,它是由材料�(nèi)部的分子間力和交�(lián)�(wǎng)�(luò)�(jié)�(gòu)共同決定的。一維定向流�(dòng)中的粘度變化用冪律方程(2)描��η = k.δn �2�其中�η為凝膠動(dòng)�(tài)粘度,k為稠度系�(shù)(k越大粘度越高),n為非牛頓指數(shù),反映凝膠破碎后交聯(lián)�(wǎng)�(luò)在內(nèi)部的重組能力��(jié)果分�剪切�(qiáng)度實(shí)�(yàn)�(jié)��2 (A)濃度�(duì)大米淀粉凝膠剪切模量的影響�(B)溶劑中淀粉分子組成比�(支鏈淀粉和直鏈淀�)�2A表明濃度�(duì)水稻淀粉凝膠剪切模量有影響,并且粳稻及秈稻凝膠的剪切模量與淀粉濃度呈正相�(guān)。糯稻凝膠的剪切模量不隨著淀粉濃度的增加而變�,說(shuō)明凝膠剛性受溶液中淀粉分子組分比例的影響。當(dāng)?shù)矸蹪舛葹?%�8%�(shí),交�(lián)�(wǎng)�(luò)�(jié)�(gòu)在凝膠內(nèi)部未完全形成。三種大米淀粉凝膠的力學(xué)性能主要受水分子間的�(nèi)聚力影響,其剛性變化不大。淀粉濃度為12%�(shí),凝膠內(nèi)部形成基本交�(lián)�(wǎng)�(luò),剪切模量開始發(fā)生本�(zhì)變化。由于淀粉分子組分比例相�,粳稻和秈稻凝膠的剪切模量發(fā)生顯著變�,淀粉濃度從16%增加�20%,粳稻和秈稻凝膠的剪切模量逐漸增大,模量差�(wěn)定表明在特定淀粉分子組分比例下,凝膠硬度與淀粉濃度呈正相�(guān)�(guān)系(糯稻分子比例不符合相�(guān)性)�流動(dòng)特性實(shí)�(yàn)�(jié)��3 剪切速率�(duì)不同淀粉濃度下(A)粳稻凝膠�(B)糯米凝膠�(C)秈稻凝膠三種凝膠�(dòng)�(tài)粘度的影��(D)淀粉濃度對(duì)三種大米淀粉凝膠最大動(dòng)�(tài)粘度的影響��3A-C顯示了不同淀粉濃度下的剪切速率�(duì)三種水稻淀粉凝膠動(dòng)�(tài)粘度的影�。結(jié)果表�,在所有濃度下,三種淀粉凝膠粘度變化與假塑性流體性質(zhì)一致,呈現(xiàn)出剪切變薄的性質(zhì),在8%的濃度下,由于未形成�(nèi)部交�(lián)�(wǎng)�(luò),粳稻和秈稻凝膠的動(dòng)�(tài)粘度迅速下�。如�3A所�,隨著淀粉濃度的增加,在相同的剪切速率�,凝膠的�(dòng)�(tài)粘度逐漸增加。一致性系�(shù)�4.9增加�5.6。這表�,隨著淀粉濃度的增加�(huì)降低淀粉凝膠的流動(dòng)性�20%的凝膠非牛頓指數(shù)�-0.07,小于濃�16 %,表明在淀粉濃�20%下粳凝膠高粘度。它具有在交�(lián)�(wǎng)�(luò)�(jié)�(gòu)斷裂后快速重組的能力,在直寫3D打印的可打印油墨方面具有突出的性能。如�3C所示秈稻凝膠的�(dòng)�(tài)粘度變化�(guī)律與粳稻凝膠相似,稠度系�(shù)基數(shù)相同(從4�5.6�,說(shuō)明淀粉凝膠稠度系�(shù)與溶液中淀粉分子的比例存在相關(guān)�。結(jié)果表�,在20%濃度�,秈稻凝膠非牛頓指數(shù)大于粳稻凝膠�-0.06>-0.07�,具有較好的重組能力。如�3B所�,隨著淀粉濃度的增加,凝膠稠度系�(shù)的增大范圍明顯較小(�4.3�5.1�,其非牛頓指�(shù)逐漸增加(從-0.09增加�-0.06),表明凝膠的重組能力與淀粉濃度呈�(fù)相關(guān),這在直接�3D打印中需要避免��3D顯示了淀粉濃度對(duì)三種水稻淀粉凝膠最大動(dòng)�(tài)粘度的影�,反映了零剪�(yīng)力下的凝膠粘�。試�(yàn)�(jié)果表�,凝膠的最大動(dòng)�(tài)粘度與淀粉濃度呈正相�(guān)。粳稻凝膠與秈稻凝膠的相�(guān)系數(shù)均大于糯稻凝膠�以上�(jié)果表�,凝膠在濃度�12%�(shí)形成�(nèi)部交�(lián)�(wǎng)�(luò),直鏈淀粉濃度為4.475%的凝膠具有較好的打印精度。凝膠剪切模量與直鏈淀粉比例呈正相�(guān)�20%以下的粳稻凝膠具有較高的粘度和內(nèi)部交�(lián)�(wǎng)�(luò)斷裂后的快速重組能�,最大動(dòng)�(tài)粘度與淀粉濃度呈正相�(guān)。此研究為大米淀粉材料在直接3D打印中的�(yīng)用提供了理論和實(shí)踐支��
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