黏性食品的流變特性

關(guān)于黏性食品的流變特性《食品物性學(xué)》教學(xué)內(nèi)容

3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

3.2剪切黏度的影響因素

3.3流變參數(shù)實(shí)驗(yàn)確定方法第2頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3黏性食品的流變特性

流變學(xué)(Rheology)是研究物質(zhì)的流動(dòng)和變形的科學(xué)，主要研究作用于物體上的應(yīng)力和由此產(chǎn)生的應(yīng)變規(guī)律，是力、變形和時(shí)間的函數(shù)。食品流變學(xué)研究的對(duì)象是食品物質(zhì)。食品物質(zhì)種類繁多，為了研究方便，食品流變學(xué)把食品物質(zhì)按形態(tài)簡單分成液態(tài)食品、半固態(tài)食品和固態(tài)食品。液體又可分為兩大類，符合牛頓黏性定律的液體稱之為牛頓流體；不符合牛頓黏性定律的液體稱之為非牛頓流體。第3頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)3.1.1黏性及牛頓黏性定律

1.黏性流動(dòng)的概念

流體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，由于體系內(nèi)部各種摩擦阻力（真溶液的分子之間、分散介質(zhì)與分散相之間、分散相之間及分散介質(zhì)之間）的存在，表現(xiàn)為流體在運(yùn)動(dòng)過程中總是在抵消外力或減弱流動(dòng)的現(xiàn)象。第4頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)(a)平板模型示意圖圖3-1平行板間流體層流模型中內(nèi)摩擦(b)流速梯度分布示意圖dvdx第5頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)2.剪切應(yīng)力

（1）應(yīng)力

（2）正應(yīng)力

（3）剪切應(yīng)力

垂直于截面的應(yīng)力分量，稱為正應(yīng)力或法向應(yīng)力。相切于截面的應(yīng)力分量稱為剪切應(yīng)力。其單位是Pa。物體由于外因（載荷、溫度變化等）而變形時(shí)，在它內(nèi)部任一截面的兩側(cè)出現(xiàn)的相互作用力，稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。第6頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

3.剪切速率

流體在兩界面（如平行板）之間流動(dòng)時(shí)，因材料與流體間存在摩擦力，使流體內(nèi)部與流體-界面接觸處的流動(dòng)速率不同，誘發(fā)一個(gè)漸變的速率場，稱為剪切速率（或速度梯度、應(yīng)變速率）。4.流動(dòng)特性曲線是反映流體流變性的曲線，泛指剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線。有時(shí)也指黏度（表觀黏度）及其表現(xiàn)形式與剪切速率、分散相粒徑、分散相體積分?jǐn)?shù)等關(guān)系的曲線。第7頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

3.1.2黏性流體的分類及特點(diǎn)3.1.2.1Newton流體

1.概念

Newton流體是指在任意小的外力作用下即能流動(dòng)的流體，并且剪切應(yīng)力σ與流動(dòng)的剪切速率?大小成正比。

※Newton定律的局限性

Newton黏性實(shí)驗(yàn)定律描述像水和空氣這樣的流體是適合的，對(duì)含高分子量的流體不適宜，因其剪切應(yīng)力與剪切速率之間已不再是線性關(guān)系。第8頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)2.流變方程數(shù)學(xué)表達(dá)式σ＝η?

①流體層之間單位面積的內(nèi)摩擦力或剪切應(yīng)力與速率梯度或剪切速率成正比。②式σ＝η?又稱Newton剪切應(yīng)力公式，它表明有一類流體，其剪切應(yīng)力與剪切速率呈線性關(guān)系。這類流體被稱為Newton流體。③非Newton流體，問題復(fù)雜，η不是常數(shù)，它與流體的物理性質(zhì)和受到的剪切應(yīng)力和剪切速率有關(guān)，流體的流動(dòng)情況要改變其內(nèi)摩擦特性。

σ為剪切應(yīng)力；?為剪切速率；η是與剪切速率無關(guān)的常數(shù)，是代表流體黏滯性的物理量，反映了流體內(nèi)摩擦力的大小，稱為流體的黏性系數(shù)，簡稱黏度。第9頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.流變曲線

流體的流變曲線是剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線。

可將剪切應(yīng)力為縱坐標(biāo)，剪切速率為橫坐標(biāo)，也可將剪切應(yīng)力為橫坐標(biāo)，剪切速率為縱坐標(biāo)。

圖3-2描述了Newton流體和幾種非Newton流體——塑性、假塑性和膨脹流體的流變曲線。3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)圖3-2四種流體的流變曲線第10頁,共63頁，2024年2月25日，星期天

4.流體特征

（1）Newton流體的流變曲線是一條經(jīng)過原點(diǎn)的直線，其斜率即為流體的黏度，斜率大小代表黏度的高低。（2）黏度值是個(gè)常數(shù)，不受剪切速率或剪切應(yīng)力單方面變化的影響，只有它們同時(shí)變化才能影響?zhàn)ざ戎?。?）只要有力作用即流動(dòng)，無論力大小。見圖3-3。3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)圖3-3牛頓流體特性曲線第11頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

※

關(guān)于Newton流體有兩點(diǎn)說明①絕對(duì)的Newton流體是不存在的

理想的Newton流體是無彈性、不可壓縮和各向同性的，實(shí)際上不存在這樣的流體，但有些流體因其性質(zhì)在一定條件下與Newton流體相近，可近似為Newton流體。②Newton流體具有恒定黏度的結(jié)論只在層流條件下成立。第12頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

5.實(shí)例化工領(lǐng)域著名的Newton流體的例子是甘油、乙醇、極稀的溶膠和高分子溶液等。在食品工業(yè)中，只有水、白醋、白酒、蔗糖水、汽水、少數(shù)植物油等屬于Newton流體，其它絕大多數(shù)均為非Newton流體。第13頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

3.1.2.2非Newton流體

（1）非Newton流體種類繁多，不勝枚舉絕大多數(shù)生物流體，如人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”都屬于非Newton流體。

（2）非Newton流體包括塑性流體、假塑性流體（剪切變?。⒚浰苄粤黧w（剪切變稠）、觸變性流體、流凝性流體等多種，描述其內(nèi)摩擦特性的流變模型有多個(gè)。

如Ostwald-dewaele冪律模型、Ellis模型、Carreau模型和Bingham模型等，其中冪定律模型最為常用。剪切應(yīng)力與剪切速率之間不滿足線性關(guān)系的流體稱為非Newton流體。第14頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

※

冪定律模型

將非Newton流體的黏度描述為速率梯度或剪切速率絕對(duì)值的指數(shù)函數(shù)：

σ0=k(dvx/dy)n=k?n

或

η=k(dvx/dy)n=k?n-1

①當(dāng)n=1時(shí)，η=k，即k具有黏度的量綱，此時(shí)流體為Newton流體；

②當(dāng)n<1時(shí)，為假塑性或剪切變稀流體；③當(dāng)n>l時(shí)，為脹塑性或剪切增稠流體；

④僅有n、k兩參數(shù)，使用簡便，應(yīng)用廣泛。工業(yè)上80％以上的非Newton流體均可用此模型描述。

K為稠度系數(shù)，Pa·sn；n為流體特性指數(shù)，無因次，表示與Newton流體偏離的程度。第15頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

1.塑性流體

（1）概念當(dāng)物體受到超過某特定閾值的剪切應(yīng)力作用后，發(fā)生永久性變型，該流體即為塑性體。

塑性體有液體也有固體（如燒制陶瓷的泥胎和金屬），一般將液體的塑性體稱為塑性流體。

塑性流體也稱Bingham流體，是非Newton流體中的一種。第16頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)（2）流變方程①塑性流體流變性最常用的測定方法是旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法。

②塑性流體流變曲線的直線段可用下式表征其流變特性：

σ=σ0＋η塑?

（σ＞σ0）③屈服應(yīng)力σ0和塑性黏度η塑是塑性流體的兩個(gè)特征參數(shù)。第17頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

（3）流變曲線

①流變曲線是一條不經(jīng)過原點(diǎn)的直線。如圖3-4所示。②剪切應(yīng)力超過時(shí)σ0，流動(dòng)特征符合Newton流型。圖3-4塑性流體流動(dòng)曲線第18頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)（4）流體特征

①存在屈服應(yīng)力σ0剪切應(yīng)力小于某一數(shù)值σ0時(shí)不能流動(dòng)，大于σ0后才能流動(dòng)。

※屈服應(yīng)力分析

第一個(gè)屈服應(yīng)力是流體剛開始流動(dòng)的切力fL，稱為靜切力。第二個(gè)屈服應(yīng)力是流變曲線直線段的反向延長線與剪切應(yīng)力軸的交點(diǎn)，稱為動(dòng)切力fB（或稱Bingham值）。

第三個(gè)屈服應(yīng)力是流體開始層流的切力fM。第19頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

②黏度隨剪切速率而變化

※塑性流體呈剪切稀化性的原因

a)流體靜止時(shí)，分散相顆粒間形成較弱的凝膠，在剪切速率增大時(shí)該凝膠被破壞，使黏度減小。

b)若分散相顆粒為棒狀、片狀或線型大分子化合物，顆粒由靜止態(tài)運(yùn)動(dòng)起來阻力大，當(dāng)受到足夠的剪切時(shí)，原來比較散亂的鏈狀顆粒滾動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，收縮成團(tuán)，減少了相互鉤掛，形成定向排列，黏度減小。如圖3-5所示。

塑性流體是由不對(duì)稱性分散相顆粒形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成的（分散相顆粒濃度大到一定程度，彼此互相接觸時(shí)，才能形成塑性流體），要使流體流動(dòng)，必須使剪切應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，破壞其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，流體才能流動(dòng)。塑性流體是剪切變稀型流體，黏度隨剪切速率增大而減小。第20頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)圖3-5剪切稀化原理示意圖第21頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

※剪切稀化程度與分子鏈長短和線型的關(guān)系

a)由直鏈大分子構(gòu)成的分散相顆粒組成的分散體系，比支鏈結(jié)構(gòu)的剪切稀化作用強(qiáng)。

b)長鏈大分子構(gòu)成的分散相顆粒組成的分散體系比短鏈結(jié)構(gòu)分子剪切稀化作用大。

第22頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)（5）塑性流體實(shí)例①濃肉湯。②蘋果醬、番茄醬和巧克力等。③牙膏和芥末辣醬是塑性流體。④油墨、油漆、黏土漿等也是塑性流體。圖3-6濃肉湯的流變曲線圖3-7果醬的流變曲線第23頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

2.假塑性流體

（1）概念表觀黏度隨剪切應(yīng)力或剪切速率增大而減小的流體稱為假塑性流體。

（2）流變方程σ=k?n

（0＜n＜1）表觀黏度

a與τ和?的一般關(guān)系為：σ=

a?第24頁,共63頁，2024年2月25日，星期天

①

a與稠度系數(shù)k和流型指數(shù)n有關(guān)，且是剪切速率?的函數(shù)：

a=k?n-1

②

a與一定的剪切速率相對(duì)應(yīng)，在圖15-30中，表觀黏度：

a=tanθi

（i=1，2，3……）

③|n-1|作為其非Newton性質(zhì)的度量。

④n只在很小的剪切速率范圍內(nèi)，才近似為常數(shù)。3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

n越偏離1，非Newton性質(zhì)越突出，n=1時(shí)代表的流體為Newton流體。圖3-8假塑性流體的流變曲線第25頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)（3）流變曲線

①若以lgσ對(duì)lg?作圖，得一條直線，從截距和斜率可求出n、k值。②流體表觀黏度隨剪切應(yīng)力的增大而減小。（4）流體特征①黏度隨剪切速率增大而減小，剪切稀化作用突出；

②在任何剪切應(yīng)力范圍內(nèi)均無彈性特征；③無屈服應(yīng)力，一旦施加外力就能流動(dòng)；④流變曲線為通過坐標(biāo)原點(diǎn)凸向剪切應(yīng)力軸的曲線。

第26頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)（5）典型的假塑性流體

大多數(shù)高分子化合物（如淀粉、羧甲基纖維素、橡膠、藻蛋白酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈉等）溶液、乳狀液和發(fā)生絮凝的溶膠都屬于這類流體。

血液在低剪切速率時(shí)也表現(xiàn)出假塑性流體性質(zhì)。

第27頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

3.膨脹流體

（1）概念

※膨脹現(xiàn)象

※

膨脹流體

分散體系中分散相顆粒在剪切應(yīng)力的強(qiáng)烈作用下，成為疏松排列結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致視體積增大的現(xiàn)象稱為膨脹現(xiàn)象。

凡是表觀黏度隨剪切速率增大而增稠的流體，不管在剪切應(yīng)力作用下有無體積膨脹都可稱為膨脹流體。第28頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)（2）流變方程σ=k?n

（1＜n＜∞）表觀黏度公式：σ=

a?①表觀黏度

a與稠度系數(shù)k和流型指數(shù)n有關(guān)，且是剪切速率?的函數(shù)：

a=k?n-1②

a與一定的剪切速率相對(duì)應(yīng)

a=tanθi

（i=1，2，3……）

這些公式都顯示出該類流體的表觀黏度隨剪切速率或剪切應(yīng)力的增大而增大的特征。第29頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)（3）流變曲線以lgτ對(duì)lg?作圖，得一條直線，從截距和斜率可求出n、k值。（4）流體特征

①無屈服應(yīng)力，一加外力就流動(dòng)。②黏度隨?增加而增大，有剪切稠化現(xiàn)象。

③流變曲線為通過坐標(biāo)原點(diǎn)凹向剪切應(yīng)力軸的曲線。圖3-9膨脹流體的流變曲線第30頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

※

流體剪切稠化的原因①當(dāng)顆粒濃度很高并接近最緊密排列時(shí)，兩層間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將使顆粒偏離最緊密排列，體積有所增加，需消耗額外能量。②當(dāng)流速增加而使顆粒動(dòng)能升高時(shí)，可能越過絮凝所要克服的能壘，而發(fā)生絮凝使黏度增大。第31頁,共63頁，2024年2月25日，星期天

a)流體在靜止或剪切應(yīng)力小時(shí)分散相顆粒是完全分散開的，黏度很??；當(dāng)剪切應(yīng)力大時(shí)，流體運(yùn)動(dòng)中顆粒碰撞機(jī)會(huì)多，碰在一起的顆粒形成結(jié)構(gòu)，大大增加了流體的流動(dòng)阻力，故顯現(xiàn)出剪切稠化現(xiàn)象。

b)若分散相濃度太小，不足以形成結(jié)構(gòu)，則流體無膨脹性特征；若分散相濃度很大，靜止時(shí)就能形成結(jié)構(gòu)，再攪動(dòng)流體結(jié)構(gòu)也不會(huì)發(fā)生大變化，剪切增稠不明顯，不呈膨脹性。3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)第32頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

4.觸變流體（1）觸變性

①所謂觸變性是指一些分散體系在攪動(dòng)或其它機(jī)械力作用下，使其不流動(dòng)或難流動(dòng)的凝膠狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)的溶膠狀，再靜置一段時(shí)間體系又恢復(fù)到凝膠狀的性質(zhì)。②觸變性可視為分散體系在恒溫下“凝膠-溶膠”之間相互轉(zhuǎn)換過程的流變特性。③分散體系在剪切應(yīng)力作用下產(chǎn)生形變，若τ/?之比值暫時(shí)減小，其必具觸變性。

如將氫氧化鋁或氫氧化鐵等凝膠裝入試管中，靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)緩慢傾斜，不流動(dòng)，但用力搖晃后即可流動(dòng)。第33頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)（2）觸變流體①觸變流體受剪切應(yīng)力作用（搖動(dòng)、振動(dòng)、攪動(dòng)等）后，流動(dòng)性從無到有或從小到大變化。

②當(dāng)去除外力，靜止一段時(shí)間后，流動(dòng)性從大到小或從有到無變化。

③觸變性流體也是一種塑性體，并且有剪切稀化作用。在剪切作用下流體由黏稠狀態(tài)變?yōu)榱鲃?dòng)性較大的狀態(tài)，而剪切作用消除后，滯后一段時(shí)間流體又恢復(fù)到原來狀態(tài)，具有這種性質(zhì)的流體稱為觸變流體。第34頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)（3）流變曲線①滯后圈是與時(shí)間有關(guān)的流體流動(dòng)經(jīng)歷曲線。

②滯后圈是剪切速率由小到大測定的剪切應(yīng)力-剪切速率線與從大到小測定的剪切應(yīng)力-剪切速率線所圍成。

剪切速率減小時(shí)稱降速線，反之稱增速線，且降速線在增速線的下方。

如圖3-10所示，它形如織布梭或一葉輕舟。觸變性流體的流變曲線有滯后圈。圖3-10觸變性流體的滯后圈第35頁,共63頁，2024年2月25日，星期天（4）流體特征◆觸變流體的特點(diǎn)

①觸變流體從有結(jié)構(gòu)到無結(jié)構(gòu)，或從結(jié)構(gòu)拆散到結(jié)構(gòu)恢復(fù)是一個(gè)等溫可逆過程。

②觸變結(jié)構(gòu)的破壞與形成是時(shí)間的函數(shù)，結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度的變化也是時(shí)間的函數(shù)。③流體的黏度不僅隨剪切速率變化，而且在恒定的剪切速率下，它的黏度也隨時(shí)間的推移而下降，并達(dá)到一個(gè)常數(shù)值。

④流變曲線表現(xiàn)為“上行曲線”不再與“下行曲線”重疊，而是兩條曲線之間形成了一個(gè)封閉的“梭形”觸變環(huán)。

這個(gè)“梭形”觸變環(huán)的面積大小反映著流體觸變特性的強(qiáng)弱，它表示破壞觸變結(jié)構(gòu)所需要的能量。兩次剪切作用之間的結(jié)構(gòu)恢復(fù)時(shí)間的長短與觸變性強(qiáng)弱有關(guān)，觸變性越強(qiáng)，恢復(fù)時(shí)間越短。

流體經(jīng)長時(shí)間高速剪切可從高黏凝膠態(tài)變?yōu)榈宛と苣z態(tài)，具有剪切稀化現(xiàn)象。

流體剪切后再保持靜止有重新稠化的可逆現(xiàn)象。3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)剪切作用停止后，黏度又隨時(shí)間的推移而增高，大多數(shù)觸變性流體，經(jīng)過幾小時(shí)或更長的時(shí)間，可以恢復(fù)到初始的黏度值。第36頁,共63頁，2024年2月25日，星期天（5）流體形成觸變性的機(jī)理

①靜電作用分散相顆粒荷電，有靜電吸引與靜電排斥作用，距離一定的靜止顆粒，兩種力達(dá)到平衡，形成凝膠。攪動(dòng)后，凝膠遭到破壞，分散相顆粒呈分散狀態(tài)而自由運(yùn)動(dòng)，形成溶膠。

②機(jī)械鉤掛作用分散體系靜止時(shí)，分散相顆粒之間相互搭架子而形成結(jié)構(gòu)，流體受到剪切應(yīng)力作用發(fā)生流動(dòng)時(shí)，架子被拆散，拆散架子與架子重新搭起均需要時(shí)間，故而表現(xiàn)出觸變性。

但該理論不適于非水分散介質(zhì)，亦無法解釋不對(duì)稱性顆粒更易形成凝膠、觸變性更突出的現(xiàn)象。觸變性的形成是個(gè)比較復(fù)雜的過程，觸變性流體也是個(gè)復(fù)雜體系，其形成機(jī)理目前仍沒有非常一致的觀點(diǎn)，但比較流行的機(jī)理有兩種。3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)該理論可解釋針狀和片狀的分散相顆粒容易形成結(jié)構(gòu)、觸變性突出的現(xiàn)象，是最流行的一種理論。但對(duì)分散相濃度很低（小于1%）的分散體系，無法解釋無顆粒間相互接觸，卻能表現(xiàn)出觸變性的現(xiàn)象。第37頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)（6）觸變流體實(shí)例具有觸變性的流體很多，如低溫下貯存的稠粥、番茄調(diào)味醬、嫩豆腐腦、玉米面糊等。

它們在容器中靜止時(shí)無流動(dòng)性或流動(dòng)性很弱，傾倒時(shí)很難流動(dòng)。

?1.?2分別是經(jīng)過AB1和AB2歷程所采用的剪切速率；

塑,1.

塑,2分別是B1A和B2A所代表的流體的塑性黏度（如圖15-36右所示）。圖3-11觸變性隨時(shí)間/剪切速率變化曲線第38頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)（7）流體觸變性的作用

①當(dāng)受到震擊或攪動(dòng)時(shí)即有流動(dòng)性或流動(dòng)性大增，較易傾倒。再靜止足夠時(shí)間后，又很難流動(dòng)。

②當(dāng)將油漆新刷到墻或門窗上時(shí)，刷子離開后黏度很快升高，油漆不至于流下來，否則薄厚不勻，出現(xiàn)流道。當(dāng)來回刷的過程中有很好的流動(dòng)性，既省力又能確保油漆層薄、均勻而光亮。具有觸變性的食品食用時(shí)有柔化爽口之感。第39頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)四、流凝性流體

（1）在一定剪切速率下，剪切應(yīng)力隨時(shí)間延長而增大。取消剪切應(yīng)力后，也要滯后一段時(shí)間流體才變稀。

（2）它與膨脹型流體不同，需要在外界“有節(jié)奏的震動(dòng)”下方可形成凝膠。

（3）有節(jié)奏的震動(dòng)可以是輕輕敲打、有規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)或擺動(dòng)式攪動(dòng)等。若無外界“震動(dòng)”，就不會(huì)形成凝膠。流凝性流體在剪切作用下變稠。第40頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)

◆流凝流體的流變特性及其與脹性流體的區(qū)別

（1）外切應(yīng)力消除后，膨脹流體立即稀化，而流凝流體仍保持一段時(shí)間凝膠狀態(tài)后再稀化；（2）膨脹流體中分散相濃度高，常達(dá)40%以上，且潤濕性良好；流凝流體中分散相濃度低，約在1%～2%，分散相顆粒是非對(duì)稱的，凝膠的形成是顆粒定向排列的結(jié)果。第41頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)◆流凝流體的實(shí)例

將陽離子交換容量很大的鈉蒙脫土分散在蒸餾水中，用離心機(jī)離心，除去沉淀顆粒，取懸浮液，放入試管中，加一滴飽和氯化鈉溶液，用膠皮棒有節(jié)奏地輕輕敲打試管，在室溫下很快就膠凝。若不給以有節(jié)奏敲擊，加入再多氯化鈉溶液，也不會(huì)膠凝。第42頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1黏性流體的流變學(xué)基礎(chǔ)5.剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系牛頓黏性定律指出：流體流動(dòng)時(shí)剪切速率?與剪切應(yīng)力σ成正比例關(guān)系，即：σ=

?比例系數(shù)

稱為黏度，是液體流動(dòng)時(shí)有分子之間的摩擦產(chǎn)生的。黏度的國際單位為Pa·s，常用其導(dǎo)出單位mPa·s。黏度是物質(zhì)的固有性質(zhì)。第43頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.2剪切黏度的影響因素

1.分散相的影響

（1）分散相濃度

◆分散相為剛性球體

※Einstein公式

①數(shù)學(xué)表達(dá)式

Einstein建立的懸浮液分散體系的黏度

與分散相顆粒濃度公式：

=

0(1＋2.5φ)

0是連續(xù)相黏度；φ是分散相體積分?jǐn)?shù)。第44頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.2剪切黏度的影響因素②Einstein公式假設(shè)條件

a)Newton流體；

b)分散相為剛性球體；

c)分散相顆粒間無相互作用力；

d)無紊流；

e)分散體系濃度很??；

f)顆粒Brownian運(yùn)動(dòng)忽略不計(jì)。③Einstein公式的物理意義稀溶膠黏度隨顆粒體積分?jǐn)?shù)線性增大，與顆粒尺寸及剪切速率無關(guān)。第45頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.2剪切黏度的影響因素④Einstein公式的應(yīng)用條件Φ/%絮凝非絮凝

通常，φ＜5%時(shí)計(jì)算結(jié)果與測定值相符。濃度大時(shí)，因質(zhì)點(diǎn)間有相互作用，體系黏度將急劇增大，Einstein公式不適用。

※

固有黏度求算公式

對(duì)溶膠分散體系，常用固有黏度（極限黏度、特性黏度）[

]表征體系黏度：[

]=limφ

0(

－

0)/φ

0

①分散相為剛性球時(shí)，[

]=2.5；②分散相為球形液滴，[

]＜2.5；

③分散相為非球形顆?；蚓奂w粒，[

]＞2.5。第46頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.2剪切黏度的影響因素（2）分散相黏度

分散相為液體時(shí)，在剪切應(yīng)力作用下懸浮液或乳狀液流動(dòng)時(shí)，作為分散相的液滴也發(fā)生旋轉(zhuǎn)，引起其內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)程度與分散相黏度有關(guān)。

◆

Taylor公式

rel=1＋2.5φ{(diào)[

＋(2/5)

0]/[

＋

0]}

rel為相對(duì)黏度；

為分散相黏度；

0為分散介質(zhì)黏度；φ為分散相體積分?jǐn)?shù)。

當(dāng)分散相為剛性顆粒時(shí)，

∞，該式變?yōu)镋instein公式。第47頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.2剪切黏度的影響因素

※Leviton公式

對(duì)于Φ≤0.4的濃度較大的乳狀液：

ln

rel=2.5(φ＋φ5/3＋φ1/3){[

＋(2/5)

0]/[

＋

0]}

①乳化劑的加入，可促使分散相與分散介質(zhì)之間的界面形成高強(qiáng)度膜，使液滴具有剛性。

②懸浮液或穩(wěn)定性差的乳狀液中的液滴沒有剛性，而穩(wěn)定性好的乳狀液中液滴具有剛性，穩(wěn)定性越好，其剛性越強(qiáng)。第48頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.2剪切黏度的影響因素（3）分散相形狀①若分散相質(zhì)點(diǎn)是球形的，黏度的增大主要來源于流體經(jīng)過質(zhì)點(diǎn)時(shí)流線受到干擾。②若質(zhì)點(diǎn)不是球形對(duì)稱的，流體經(jīng)過質(zhì)點(diǎn)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)要發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，額外消耗能量，同時(shí)質(zhì)點(diǎn)之間也會(huì)相互擔(dān)擾，故黏度大增。③質(zhì)點(diǎn)形狀不對(duì)稱的結(jié)果使流體偏離Newton流型。④分散相的形狀對(duì)分散體系黏度影響很大，針狀、棒狀、片狀、橄欖狀及其它不規(guī)則形狀必須在球形基礎(chǔ)上校正。剪切應(yīng)力與剪切速率的比值不再是常數(shù)，它隨剪切速率的增加而下降，這是由不對(duì)稱質(zhì)點(diǎn)在速率梯度場中的定向造成的。第49頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.2剪切黏度的影響因素※含形狀因子F的分散體系黏度公式：

=[1＋2.5(cF/ρ)]

0①若分散相為球形顆粒，在流場中流動(dòng)阻力具有對(duì)稱性，F(xiàn)=1；②若分散相為極細(xì)小的纖維，將在流場中沿流線排列，具有最小阻力。③這兩種極端情況之外的其它條件下，F(xiàn)=0.4～1.0。④F值主要由數(shù)學(xué)推導(dǎo)，再驗(yàn)證和校正。

c(kg·dm-3)為分散相濃度；ρ(kg·dm-3)為顆粒密度；

0為分散介質(zhì)黏度。第50頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.2剪切黏度的影響因素（4）分散相尺寸①Einstein公式中，分散體系的黏度只與球形對(duì)稱的分散相的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，與質(zhì)點(diǎn)大小無關(guān)，故未反映出黏度與質(zhì)點(diǎn)尺寸的關(guān)系。②若分散相質(zhì)點(diǎn)不是球形對(duì)稱，黏度則與質(zhì)點(diǎn)大小有密切關(guān)系。③分散相為液滴時(shí)，液滴尺寸對(duì)乳狀液流變性質(zhì)的影響取決于分散相的體積分?jǐn)?shù)和液滴間的相互作用。因質(zhì)點(diǎn)變大后其對(duì)稱性變差（如線性高分子化合物），使分散體系黏度升高。第51頁,共63頁，2024年2月25日，星期天④液滴相互作用較弱時(shí)，液滴尺寸影響brownian運(yùn)動(dòng)和剪切應(yīng)力效應(yīng)，進(jìn)而影響乳狀液流變性質(zhì)。⑤高剪切應(yīng)力下，剪切應(yīng)力效應(yīng)大于布氏運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，液滴尺寸對(duì)乳狀液黏度影響較小。

b)

=0.40的水包油乳狀液，液滴直徑從0.53μm增大到1.08μm時(shí)，其表觀黏度明顯下降，剪切稀化作用減弱（見圖15-17，不同液滴直徑下水包正十六烷濃乳狀液）。3.2剪切黏度的影響因素

a)液滴粒徑在0.7μm～30μm之間，且其體積分?jǐn)?shù)很小時(shí)，乳狀液黏度基本不受粒徑變化影響。

當(dāng)液滴體積分?jǐn)?shù)

0.45時(shí)，粒徑變化對(duì)黏度的影響明顯。第52頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.2剪切黏度的影響因素2.分散介質(zhì)的影響

與分散介質(zhì)黏度相關(guān)的因素很多：自身化學(xué)組成、流變性質(zhì)、極性、pH值及電解質(zhì)濃度等，情況比較復(fù)雜。（1）分散介質(zhì)添加劑為滿足加工、傳輸或賦予某些特性，常向溶液、懸浮液、乳狀液等分散體系中加入增黏劑、降黏劑或流型改進(jìn)劑之類的物質(zhì)，它們對(duì)流體的流變性產(chǎn)生很大影響。如為了調(diào)整液態(tài)食品的流動(dòng)性或口感，常在分散介質(zhì)（水）中加入諸如明膠、瓊脂、海藻酸鹽、淀粉和羧甲基纖維素之類的食品添加劑，它們對(duì)分散體系的流變性影響很大。對(duì)分散介質(zhì)黏度有影響的因素都影響著分散體系黏度。第53頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.2剪切黏度的影響因素（2）添加劑濃度對(duì)液體流變性的影響①水溶性天然聚合物濃度達(dá)到臨界值C

時(shí)，水溶膠的黏度明顯升高。②C

是親水溶膠從“稀釋區(qū)”向“半稀釋區(qū)”轉(zhuǎn)變，聚合物分子由自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向分子相互重疊和滲透狀態(tài)轉(zhuǎn)變所對(duì)應(yīng)濃度。

③聚合物濃度低于C

時(shí)，溶膠呈Newton流體特征；大于C

時(shí)，表現(xiàn)出非Newton流體特征。第54頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.2剪切黏度的影響因素

3.乳狀液中乳化劑的影響◆乳化劑的組成、性質(zhì)和加量對(duì)乳狀液黏度的影響

①乳化劑的化學(xué)成分影響分散液滴間位能（引力位能、斥力位能，甚至空間穩(wěn)定位能），進(jìn)而影響其分散程度、分散相尺寸和有效體積分?jǐn)?shù)和流變性。第55頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.2剪切黏度的影響因素②乳化劑濃度對(duì)液滴分散程度的影響。濃度大小影響到分散相液滴尺寸及變形性、