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1、1 12022/10/12022/10/1关于黏性食品的流变特性第一页，讲稿共六十三页哦2 22022/10/12022/10/1食品物性学食品物性学教学内容教学内容3.1 3.1 黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础3.2 3.2 剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素3.3 3.3 流变参数实验确定方法流变参数实验确定方法第二页，讲稿共六十三页哦3 32022/10/12022/10/13黏性食品的流变特性黏性食品的流变特性 流变学流变学(Rheology)(Rheology)是研究物质的流动和变形的科是研究物质的流动和变形的科学，主要研究作用于物体上的应力和由此产生的应学，主要研究作用
2、于物体上的应力和由此产生的应变规律，是变规律，是力、变形和时间力、变形和时间的函数。食品流变学研的函数。食品流变学研究的对象是食品物质。食品物质种类繁多，为了研究的对象是食品物质。食品物质种类繁多，为了研究方便，食品流变学把食品物质按形态简单分成液究方便，食品流变学把食品物质按形态简单分成液态食品、半固态食品和固态食品。液体又可分为两态食品、半固态食品和固态食品。液体又可分为两大类，符合牛顿黏性定律的液体称之为大类，符合牛顿黏性定律的液体称之为牛顿流体牛顿流体；不；不符合牛顿黏性定律的液体称之为符合牛顿黏性定律的液体称之为非牛顿流体非牛顿流体。第三页，讲稿共六十三页哦4 42022/10/12
3、022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础3.1.13.1.1黏性及牛顿黏性定律黏性及牛顿黏性定律1.1.黏性流动的概念黏性流动的概念流体在外力作用下流动时，流体在外力作用下流动时，由于体系内部由于体系内部各种各种摩擦阻力摩擦阻力（真溶液的分子之间、分散介质（真溶液的分子之间、分散介质与分散相之间、分散相之间及分散介质之间）与分散相之间、分散相之间及分散介质之间）的存在的存在，表现为，表现为流体在运动过程中总是在抵消外流体在运动过程中总是在抵消外力或减弱流动力或减弱流动的现象。的现象。第四页，讲稿共六十三页哦5 52022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基
4、础黏性流体的流变学基础(a)平板模型示意图平板模型示意图图图3-1平行板间流体层流模型中内摩擦平行板间流体层流模型中内摩擦(b)流速梯度分布示意图流速梯度分布示意图dvdx第五页，讲稿共六十三页哦6 62022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础2.2.剪切应力剪切应力 （1 1）应力）应力（2 2）正应力）正应力（3 3）剪切应力）剪切应力 垂直于截面的应力分量，称为正应力或法向应力。相切于截面的应力分量称为剪切应力。其单位是Pa。物体由于外因（载荷、温度变化等）而变形时，在它内部任一截面的两侧出现的相互作用力，称为内力。单位面积上的内力称为应力。第六页
5、，讲稿共六十三页哦7 72022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础3.3.剪切速率剪切速率流体在两界面流体在两界面（如平行板）（如平行板）之间流动时，因材料与流体之间流动时，因材料与流体间存在摩擦力，使流体内部与流体间存在摩擦力，使流体内部与流体-界面接触处的流动速率界面接触处的流动速率不同，诱发一个渐变的速率场，称为不同，诱发一个渐变的速率场，称为剪切速率剪切速率（或速度梯度、（或速度梯度、应变速率）应变速率）。4.4.流动特性曲线流动特性曲线是是反映流体流变性的曲线，泛指剪切应力与剪切速率的关系反映流体流变性的曲线，泛指剪切应力与剪切速率的关系曲线曲
6、线。有时也指黏度（表观黏度）及其表现形式与。有时也指黏度（表观黏度）及其表现形式与剪切速剪切速率、分散相粒径、分散相体积分数率、分散相粒径、分散相体积分数等关系的曲线。等关系的曲线。第七页，讲稿共六十三页哦8 82022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础3.1.23.1.2黏性流体的分类及特点黏性流体的分类及特点 3.1.2.1 Newton 3.1.2.1 Newton流体流体1.1.概念概念NewtonNewton流体是指在任意小的外力作用下即能流动的流体，流体是指在任意小的外力作用下即能流动的流体，并且并且剪切应力剪切应力与流动的剪切速率与流动的剪
7、切速率大小成正比大小成正比。NewtonNewton定律的局限性定律的局限性NewtonNewton黏性实验定律描述像水和空气这样的流体是适合的，黏性实验定律描述像水和空气这样的流体是适合的，对含对含高分子量的流体不适宜高分子量的流体不适宜，因其剪切应力与剪切速率之间已，因其剪切应力与剪切速率之间已不再是线不再是线性关系性关系。第八页，讲稿共六十三页哦9 92022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础2.2.流变方程流变方程 数学表达式数学表达式 流体层之间单位面积的内摩擦力或剪切应力流体层之间单位面积的内摩擦力或剪切应力与速率梯度或剪切速率成正比。与速率
8、梯度或剪切速率成正比。式式又称又称NewtonNewton剪切应力公式剪切应力公式，它表明有，它表明有一类流体，其剪切应力与剪切速率呈线性关系。这一类流体，其剪切应力与剪切速率呈线性关系。这类流体被称为类流体被称为NewtonNewton流体。流体。非非NewtonNewton流体，问题复杂，流体，问题复杂，不是常数，它与流不是常数，它与流体的物理性质和受到的剪切应力和剪切速率有关，体的物理性质和受到的剪切应力和剪切速率有关，流体流体的流动情况要改变其内摩擦特性的流动情况要改变其内摩擦特性。为剪切应力；为剪切速率；是与剪切速率无关的常数，是代表流体黏滞性的物理量，反映了流体内摩擦力的大小，称为
9、流体的黏性系数，简称黏度。第九页，讲稿共六十三页哦10102022/10/12022/10/13.3.流变曲线流变曲线流体的流变曲线是剪切应力与剪切速率的流体的流变曲线是剪切应力与剪切速率的关系曲线。关系曲线。可将剪切应力为纵坐标，剪切速率为横坐可将剪切应力为纵坐标，剪切速率为横坐标，标，也可将剪切应力为横坐标，剪切速率为纵坐也可将剪切应力为横坐标，剪切速率为纵坐标。标。图图3-23-2描述了描述了NewtonNewton流体和几流体和几种非种非NewtonNewton流体流体 塑性、假塑性塑性、假塑性和膨胀流体的和膨胀流体的流变流变曲线曲线。3.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础图图
10、3-2 3-2 四种流体的流变曲线四种流体的流变曲线第十页，讲稿共六十三页哦11112022/10/12022/10/14.4.流体特征流体特征 （1 1）NewtonNewton流体的流变曲线是一条经过原点的直线，流体的流变曲线是一条经过原点的直线，其其斜率即为流体的黏度斜率即为流体的黏度，斜率大小代表黏度的高低斜率大小代表黏度的高低。（2 2）黏度值是个）黏度值是个常数常数，不受剪切速率或剪切应力，不受剪切速率或剪切应力单方面变化的影响，只有它们单方面变化的影响，只有它们同时变化才能影响黏度同时变化才能影响黏度值值。（3 3）只要有力作用即）只要有力作用即流动流动，无论力大小。，无论力大小
11、。见见图图3-33-3。3.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础图图3-3 3-3 牛顿流体特性曲线牛顿流体特性曲线第十一页，讲稿共六十三页哦12122022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础 关于关于NewtonNewton流体有两点说明流体有两点说明 绝对的绝对的NewtonNewton流体是不存在的流体是不存在的理想的理想的NewtonNewton流体是流体是无弹性无弹性、不可压缩不可压缩和和各向同各向同性性的，实际上不存在这样的流体，但有些流体因其性的，实际上不存在这样的流体，但有些流体因其性质在一定条件下与质在一定条件下与NewtonNe
12、wton流体流体相近相近，可近似为，可近似为NewtonNewton流体。流体。NewtonNewton流体具有恒定黏度的结论只在层流条件流体具有恒定黏度的结论只在层流条件下成立。下成立。第十二页，讲稿共六十三页哦13132022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础5.5.实例实例化工领域著名的化工领域著名的NewtonNewton流体的例子是流体的例子是甘油甘油、乙醇乙醇、极稀的溶胶极稀的溶胶和和高分子溶液高分子溶液等。等。在食品工业中，只有在食品工业中，只有水水、白醋白醋、白酒白酒、蔗糖水蔗糖水、汽水汽水、少数植物油少数植物油等等属于属于NewtonN
13、ewton流体流体，其它绝大多数，其它绝大多数均为非均为非NewtonNewton流体。流体。第十三页，讲稿共六十三页哦14142022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础3.1.2.2 3.1.2.2 非非NewtonNewton流体流体 （1 1）非）非NewtonNewton流体种类繁多，不胜枚举流体种类繁多，不胜枚举绝大多数生物流体，如绝大多数生物流体，如人身上的血液人身上的血液、淋巴液淋巴液、囊液囊液等多种体液以及像细胞质那样的等多种体液以及像细胞质那样的“半流体半流体”都属于都属于非非NewtonNewton流体。流体。（2 2）非）非Newt
14、onNewton流体包括流体包括塑性流体塑性流体、假塑性流体假塑性流体（剪（剪切变稀）切变稀）、胀塑性流体胀塑性流体（剪切变稠）（剪切变稠）、触变性流体触变性流体、流流凝性流体凝性流体等多种，描述其内摩擦特性的流变模型有多个。等多种，描述其内摩擦特性的流变模型有多个。如Ostwald-dewaele幂律模型、Ellis模型、Carreau模型和Bingham模型等，其中幂定律模型最为常用。剪切应力与剪切速率之间不满足线性关系的流体称为非Newton流体。第十四页，讲稿共六十三页哦15152022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础 幂定律模型幂定律模型将非
15、将非NewtonNewton流体的黏度描述为流体的黏度描述为速率梯度或剪切速速率梯度或剪切速率绝对值的指数函数：率绝对值的指数函数：0=k(dvx/dy)n=kn 或或=k(dvx/dy)n=kn-1当当n=1时，时，=k，即，即k具有黏度的量纲，此时流体具有黏度的量纲，此时流体为为Newton流体；流体；当当n n1ll时，为胀塑性或剪切增稠流体；时，为胀塑性或剪切增稠流体；仅有仅有n n、k k两参数，使用简便，应用广泛。工业上两参数，使用简便，应用广泛。工业上8080以上的非以上的非NewtonNewton流体均可用此模型描述。流体均可用此模型描述。K为稠度系数，Pasn；n为流体特性指
16、数，无因次，表示与Newton流体偏离的程度。第十五页，讲稿共六十三页哦16162022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础1.1.塑性流体塑性流体（1 1）概念）概念当物体受到超过某特定阈值的剪切应力作用后，发生永当物体受到超过某特定阈值的剪切应力作用后，发生永久性变型，该流体即为久性变型，该流体即为塑性体塑性体。塑性体有液体也有固体塑性体有液体也有固体（如烧制陶瓷的泥胎和金属），（如烧制陶瓷的泥胎和金属），一般将液体的塑性体称为一般将液体的塑性体称为塑性流体塑性流体。塑性流体塑性流体也称也称BinghamBingham流体，是非流体，是非NewtonN
17、ewton流体中的一流体中的一种。种。第十六页，讲稿共六十三页哦17172022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础（2 2）流变方程）流变方程 塑性流体流变性最常用的测定方法是旋转黏度计法。塑性流体流变性最常用的测定方法是旋转黏度计法。塑性流体流变曲线的直线段可用下式表征其流变特塑性流体流变曲线的直线段可用下式表征其流变特性：性：=0塑塑 （0）屈服应力屈服应力0和塑性黏度和塑性黏度塑塑是塑性流体的两个特征是塑性流体的两个特征参数。参数。第十七页，讲稿共六十三页哦18182022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础（
18、3 3）流变曲线）流变曲线 流变曲线是一流变曲线是一条不经过原点的直线。条不经过原点的直线。如如图图3-43-4所示。所示。剪切应力超剪切应力超过时过时0，流动特征，流动特征符合符合NewtonNewton流型。流型。图图3-4 3-4 塑性流体流动曲线塑性流体流动曲线第十八页，讲稿共六十三页哦19192022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础（4 4）流体特征）流体特征 存在屈服应力存在屈服应力0剪切应力小于某一数值剪切应力小于某一数值0时不能流动，大于时不能流动，大于0后才后才能流动。能流动。屈服应力分析屈服应力分析第一个屈服应力是流体刚开始流动的切
19、力第一个屈服应力是流体刚开始流动的切力fL，称为，称为静切力静切力。第二个屈服应力是流变曲线直线段的反向延长线与第二个屈服应力是流变曲线直线段的反向延长线与剪切应力轴的交点，称为剪切应力轴的交点，称为动切力动切力fB（或称（或称Bingham值）。值）。第三个屈服应力是流体开始层流的第三个屈服应力是流体开始层流的切力切力fM。第十九页，讲稿共六十三页哦20202022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础 黏度随剪切速率而变化黏度随剪切速率而变化 塑性流体呈剪切稀化性的原因塑性流体呈剪切稀化性的原因 a)a)流体静止时，分散相颗粒间形成较弱的凝胶，在流体静止
20、时，分散相颗粒间形成较弱的凝胶，在剪剪切速率增大切速率增大时该凝胶被破坏，使时该凝胶被破坏，使黏度减小黏度减小。b)b)若分散相颗粒为棒状、片状或线型大分子化合物，颗若分散相颗粒为棒状、片状或线型大分子化合物，颗粒由静止态运动起来粒由静止态运动起来阻力大阻力大，当受到足够的剪切时，原来，当受到足够的剪切时，原来比较散乱的链状颗粒滚动、旋转，比较散乱的链状颗粒滚动、旋转，收缩成团收缩成团，减少了相互，减少了相互钩挂，形成钩挂，形成定向排列定向排列，黏度减小黏度减小。如图如图3-53-5所示。所示。塑性流体是由不对称性分散相颗粒形成的网络结构组成的（分散相颗粒浓度大到一定程度，彼此互相接触时，才能
21、形成塑性流体），要使流体流动，必须使剪切应力超过屈服应力，破坏其网络结构，流体才能流动。塑性流体是剪切变稀型流体，黏度随剪切速率增大而减小。第二十页，讲稿共六十三页哦21212022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础图图3-5 3-5 剪切稀化原理示意图剪切稀化原理示意图第二十一页，讲稿共六十三页哦22222022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础 剪切稀化程度与分子链长短和线型的关系剪切稀化程度与分子链长短和线型的关系 a)a)由由直链大分子直链大分子构成的分散相颗粒组成的分构成的分散相颗粒组成的分散体系，散体系
22、，比支链结构的剪切稀化作用强比支链结构的剪切稀化作用强。b)b)长链大分子长链大分子构成的分散相颗粒组成的分散体构成的分散相颗粒组成的分散体系系比短链结构分子剪切稀化作用大比短链结构分子剪切稀化作用大。第二十二页，讲稿共六十三页哦23232022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础（5 5）塑性流体实例）塑性流体实例 浓肉汤浓肉汤。苹果酱苹果酱、番茄酱和巧克力等、番茄酱和巧克力等。牙膏和芥末辣酱牙膏和芥末辣酱是塑性流体。是塑性流体。油墨、油漆、黏土浆油墨、油漆、黏土浆等也是塑性流体。等也是塑性流体。图图3-6 3-6 浓肉汤的流变曲线浓肉汤的流变曲线图图3
23、-7 3-7 果酱的流变曲线果酱的流变曲线第二十三页，讲稿共六十三页哦24242022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础2.2.假塑性流体假塑性流体（1 1）概念）概念表观黏度随剪切应力或剪切速率增大而减小的表观黏度随剪切应力或剪切速率增大而减小的流体称为流体称为假塑性流体假塑性流体。（2 2）流变方程）流变方程=kn（0n1）表观黏度表观黏度 a a与与和和的一般关系为：的一般关系为：=a a第二十四页，讲稿共六十三页哦25252022/10/12022/10/1 a a与稠度系数与稠度系数k k和流型指数和流型指数n n有关，且是剪切速有关，且是剪切
24、速率率的函数：的函数：a a=k kn-n-1 1 a a与一定的剪切速率相对应，在图与一定的剪切速率相对应，在图15-3015-30中，中，表观黏度：表观黏度：a=tani （i=1=1，2 2，33）|n-1|1|作为其非作为其非NewtonNewton性质的度量。性质的度量。n只在很小的剪切速率范围内，才近似为常数。只在很小的剪切速率范围内，才近似为常数。3.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础n越偏离1，非Newton性质越突出，n=1时代表的流体为Newton流体。图图3-8 3-8 假塑性流体的流变曲线假塑性流体的流变曲线第二十五页，讲稿共六十三页哦26262022/10/1
25、2022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础（3 3）流变曲线）流变曲线 若以若以lglg对对lglg作图，得一条直线，从截距和斜率作图，得一条直线，从截距和斜率可求出可求出n n、k k值。值。流体表观黏度随剪切应力的增大而减小。流体表观黏度随剪切应力的增大而减小。（4 4）流体特征）流体特征 黏度随剪切速率增大而减小，剪切稀化作用突黏度随剪切速率增大而减小，剪切稀化作用突出；出；在任何剪切应力范围内均无弹性特征；在任何剪切应力范围内均无弹性特征；无屈服应力，一旦施加外力就能流动；无屈服应力，一旦施加外力就能流动；流变曲线为通过坐标原点凸向剪切应力轴的曲线。流变曲线为通过
26、坐标原点凸向剪切应力轴的曲线。第二十六页，讲稿共六十三页哦27272022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础（5 5）典型的假塑性流体）典型的假塑性流体大多数高分子化合物大多数高分子化合物（如淀粉、羧甲基纤维（如淀粉、羧甲基纤维素、橡胶、藻蛋白酸钠、木质素磺酸钠等）素、橡胶、藻蛋白酸钠、木质素磺酸钠等）溶液、溶液、乳状液和发生絮凝的溶胶都属于这类流体。乳状液和发生絮凝的溶胶都属于这类流体。血液在低剪切速率时也表现出假塑性流体性质。血液在低剪切速率时也表现出假塑性流体性质。第二十七页，讲稿共六十三页哦28282022/10/12022/10/13.1黏性流
27、体的流变学基础黏性流体的流变学基础3.3.膨胀流体膨胀流体 （1 1）概念）概念 膨胀现象膨胀现象 膨胀流体膨胀流体 分散体系中分散相颗粒在剪切应力的强烈作用下，成为疏松排列结构，导致视体积增大的现象称为膨胀现象。凡是表观黏度随剪切速率增大而增稠的流体，不管在剪切应力作用下有无体积膨胀都可称为膨胀流体。第二十八页，讲稿共六十三页哦29292022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础（2 2）流变方程）流变方程=k kn n （1 1n n）表观黏度公式：表观黏度公式：=a a 表观黏度表观黏度 a a与稠度系数与稠度系数k k和流型指数和流型指数n n有关
28、，且是有关，且是剪切速率剪切速率的函数：的函数：a a=k kn-1n-1 a a与一定的剪切速率相对应与一定的剪切速率相对应 a a=tan=tani i （i i=1=1，2 2，33）这些公式都显示出该类流体的表观黏度随剪切速率或剪切应力的增大而增大的特征。第二十九页，讲稿共六十三页哦30302022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础（3 3）流变曲线）流变曲线以以lglg对对lglg作图，得一条直线，从截距和斜率可求作图，得一条直线，从截距和斜率可求出出n n、k k值。值。（4 4）流体特征）流体特征 无屈服应力，一加外力就流动。无屈服应力，一
29、加外力就流动。黏度随黏度随增加而增大，有剪切稠化现象。增加而增大，有剪切稠化现象。流变曲线为通过坐标原点凹向剪切应力轴的曲流变曲线为通过坐标原点凹向剪切应力轴的曲线。线。图图3-9 3-9 膨胀流体的流变曲线膨胀流体的流变曲线第三十页，讲稿共六十三页哦31312022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础 流体剪切稠化的原因流体剪切稠化的原因 当颗粒浓度很高并接近最紧密排列时，两层间的当颗粒浓度很高并接近最紧密排列时，两层间的相对运动将使颗粒偏离最紧密排列，相对运动将使颗粒偏离最紧密排列，体积有所增加，需体积有所增加，需消耗额外能量。消耗额外能量。当流速增加
30、而使颗粒当流速增加而使颗粒动能升高动能升高时，可能越过絮时，可能越过絮凝所要克服的能垒，而发生絮凝使凝所要克服的能垒，而发生絮凝使黏度增大黏度增大。第三十一页，讲稿共六十三页哦32322022/10/12022/10/1a)流体在静止或剪切应力小时分散相颗粒是完全分散开的，黏度很小；当剪切应力大时，流体运动中颗粒碰撞机会多，碰在一起的颗粒形成结构，大大增加了流体的流动阻力，故显现出剪切稠化现象。b)若分散相浓度太小，不足以形成结构，则流体无膨胀性特征；若分散相浓度很大，静止时就能形成结构，再搅动流体结构也不会发生大变化，剪切增稠不明显，不呈膨胀性。3.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础
31、第三十二页，讲稿共六十三页哦33332022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础4.4.触变流体触变流体（1 1）触变性）触变性 所谓所谓触变性触变性是指一些分散体系在搅动或其它机是指一些分散体系在搅动或其它机械力作用下，使其不流动或难流动的凝胶状转变为流械力作用下，使其不流动或难流动的凝胶状转变为流动的溶胶状，再静置一段时间体系又恢复到凝胶状的动的溶胶状，再静置一段时间体系又恢复到凝胶状的性质。性质。触变性可视为分散体系在恒温下触变性可视为分散体系在恒温下“凝胶凝胶-溶胶溶胶”之间相互转换过程的流变特性。之间相互转换过程的流变特性。分散体系在剪切应力作用
32、下产生形变，分散体系在剪切应力作用下产生形变，若若/之比值暂时减小，其必具触变性。之比值暂时减小，其必具触变性。如将氢氧化铝或氢氧化铁等凝胶装入试管中，静止状态时缓慢倾斜，不流动，但用力摇晃后即可流动。第三十三页，讲稿共六十三页哦34342022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础（2 2）触变流体）触变流体 触变流体受剪切应力作用触变流体受剪切应力作用（摇动、振动、搅动（摇动、振动、搅动等）等）后，流动性从无到有或从小到大变化。后，流动性从无到有或从小到大变化。当去除外力，静止一段时间后，流动性从大到小当去除外力，静止一段时间后，流动性从大到小或从有到无
33、变化。或从有到无变化。触变性流体也是一种塑性体，并且有剪切稀化触变性流体也是一种塑性体，并且有剪切稀化作用。作用。在剪切作用下流体由黏稠状态变为流动性较大的状态，而剪切作用消除后，滞后一段时间流体又恢复到原来状态，具有这种性质的流体称为触变流体。第三十四页，讲稿共六十三页哦35352022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础（3 3）流变曲线）流变曲线滞后圈是与时间有关的流体流动经历曲线。滞后圈是与时间有关的流体流动经历曲线。滞后圈是剪切速率由小到大测定的剪切应力滞后圈是剪切速率由小到大测定的剪切应力-剪切速率线与从大到小测定的剪切应力剪切速率线与从大到小
34、测定的剪切应力-剪切速率线所剪切速率线所围成。围成。剪切速率减小时称降速线，反之称增速线，且降剪切速率减小时称降速线，反之称增速线，且降速线在增速线的下方。速线在增速线的下方。如图3-10所示，它形如织布梭或一叶轻舟。触变性流体的流变曲线有滞后圈。图图3-10 3-10 触变性流体的滞后圈触变性流体的滞后圈第三十五页，讲稿共六十三页哦36362022/10/12022/10/1（4 4）流体特征）流体特征 触变流体的特点触变流体的特点 触变流体从有结构到无结构，或从结构拆散到结触变流体从有结构到无结构，或从结构拆散到结构恢复是一个等温可逆过程。构恢复是一个等温可逆过程。触变结构的破坏与形成是时
35、间的函数，结构的触变结构的破坏与形成是时间的函数，结构的机械强度的变化也是时间的函数。机械强度的变化也是时间的函数。流体的黏度不仅随剪切速率变化，而且在恒定的剪切流体的黏度不仅随剪切速率变化，而且在恒定的剪切速率下，它的黏度也随时间的推移而下降，并达到一个常数速率下，它的黏度也随时间的推移而下降，并达到一个常数值。值。流变曲线表现为流变曲线表现为“上行曲线上行曲线”不再与不再与“下行曲线下行曲线”重叠，而是两条曲线之间形成了一个封闭的重叠，而是两条曲线之间形成了一个封闭的“梭形梭形”触触变环变环。这个“梭形”触变环的面积大小反映着流体触变特性的强弱，它表示破坏触变结构所需要的能量。两次剪切作用
36、之间的结构恢复时间的长短与触变性强弱有关，触变性越强，恢复时间越短。流体经长时间高速剪切可从高黏凝胶态变为低黏溶胶态，具有剪切稀化现象。流体剪切后再保持静止有重新稠化的可逆现象。3.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础当剪切作用停止后，黏度又随时间的推移而增高，大多数触变性流体，经过几小时或更长的时间，可以恢复到初始的黏度值。第三十六页，讲稿共六十三页哦37372022/10/12022/10/1（5 5）流体形成触变性的机理）流体形成触变性的机理 静电作用静电作用分散相颗粒荷电，有静电吸引与静电排斥作用，距分散相颗粒荷电，有静电吸引与静电排斥作用，距离一定的静止颗粒，两种力达到平衡，形
37、成凝胶。离一定的静止颗粒，两种力达到平衡，形成凝胶。搅动搅动后，凝胶遭到破坏，分散相颗粒呈分散状态而自由运动，后，凝胶遭到破坏，分散相颗粒呈分散状态而自由运动，形成溶胶。形成溶胶。机械钩挂作用机械钩挂作用分散体系静止时，分散相颗粒之间相互搭架子而形分散体系静止时，分散相颗粒之间相互搭架子而形成结构，流体受到剪切应力作用发生流动时，架子被拆成结构，流体受到剪切应力作用发生流动时，架子被拆散，拆散架子与架子重新搭起均需要时间，故而表现出散，拆散架子与架子重新搭起均需要时间，故而表现出触变性触变性。但该理论不适于非水分散介质，亦无法解释不对称性颗粒更易形成凝胶、触变性更突出的现象。触变性的形成是个比
38、较复杂的过程，触变性流体也是个复杂体系，其形成机理目前仍没有非常一致的观点，但比较流行的机理有两种。3.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础该理论可解释针状和片状的分散相颗粒容易形成结构、触变性突出的现象，是最流行的一种理论。但对分散相浓度很低（小于1%）的分散体系，无法解释无颗粒间相互接触，却能表现出触变性的现象。第三十七页，讲稿共六十三页哦38382022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础（6 6）触变流体实例）触变流体实例具有触变性的流体很多，如低温下贮存的具有触变性的流体很多，如低温下贮存的稠粥、稠粥、番茄调味酱、嫩豆腐脑、玉米面糊番茄调味
39、酱、嫩豆腐脑、玉米面糊等。等。它们在容器中静止时无流动性或流动性很弱，它们在容器中静止时无流动性或流动性很弱，倾倒时很难流动。倾倒时很难流动。1.2分别是经过AB1和AB2历程所采用的剪切速率；塑,1.塑,2分别是B1A和B2A所代表的流体的塑性黏度（如图15-36右所示）。图图3-11 3-11 触变性随时间触变性随时间/剪切剪切速率变化曲线速率变化曲线第三十八页，讲稿共六十三页哦39392022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础（7 7）流体触变性的作用）流体触变性的作用 当受到震击或搅动时即有流动性或流动性大增，当受到震击或搅动时即有流动性或流动性
40、大增，较易倾倒。再静止足够时间后，又很难流动。较易倾倒。再静止足够时间后，又很难流动。当将油漆新刷到墙或门窗上时，刷子离开后黏度很当将油漆新刷到墙或门窗上时，刷子离开后黏度很快升高，油漆不至于流下来，否则薄厚不匀，出现流道。快升高，油漆不至于流下来，否则薄厚不匀，出现流道。当来回刷的过程中有很好的流动性，既省力又能确保当来回刷的过程中有很好的流动性，既省力又能确保油漆层薄、均匀而光亮。油漆层薄、均匀而光亮。具有触变性的食品食用时有柔化爽口之感。第三十九页，讲稿共六十三页哦40402022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础四、流凝性流体四、流凝性流体 （1
41、 1）在一定剪切速率下，）在一定剪切速率下，剪切应力随时间延长剪切应力随时间延长而增大而增大。取消剪切应力后，也要滞后一段时间流体才。取消剪切应力后，也要滞后一段时间流体才变稀。变稀。（2 2）它与膨胀型流体不同，需要在外界）它与膨胀型流体不同，需要在外界“有节有节奏的震动奏的震动”下方可形成凝胶。下方可形成凝胶。（3 3）有节奏的震动可以是轻轻敲打、有规则的）有节奏的震动可以是轻轻敲打、有规则的圆周运动、摆动或摆动式搅动等。圆周运动、摆动或摆动式搅动等。若无外界若无外界“震动震动”，就不会形成凝胶。，就不会形成凝胶。流凝性流体在剪切作用下变稠。第四十页，讲稿共六十三页哦41412022/10
42、/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础 流凝流体的流变特性及其与胀性流体的区别流凝流体的流变特性及其与胀性流体的区别 （1 1）外切应力消除后，膨胀流体立即稀化，而流凝）外切应力消除后，膨胀流体立即稀化，而流凝流体仍保持一段时间凝胶状态后再稀化；流体仍保持一段时间凝胶状态后再稀化；（2 2）膨胀流体中分散相浓度高，常达）膨胀流体中分散相浓度高，常达40%40%以上，且以上，且润湿性良好；润湿性良好；流凝流体中分散相浓度低，约在流凝流体中分散相浓度低，约在1%1%2%2%，分，分散相颗粒是非对称的，凝胶的形成是颗粒定向排列的结果。散相颗粒是非对称的，凝胶的形成是颗粒
43、定向排列的结果。第四十一页，讲稿共六十三页哦42422022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础 流凝流体的实例流凝流体的实例将阳离子交换容量很大的将阳离子交换容量很大的钠蒙脱土钠蒙脱土分散在蒸馏水中，分散在蒸馏水中，用离心机离心，除去沉淀颗粒，取用离心机离心，除去沉淀颗粒，取悬浮液悬浮液，放入试管中，放入试管中，加一滴饱和氯化钠溶液，用胶皮棒有节奏地轻轻敲打试加一滴饱和氯化钠溶液，用胶皮棒有节奏地轻轻敲打试管，在室温下很快就胶凝。管，在室温下很快就胶凝。若不给以有节奏敲击，加入再多氯化钠溶液，也不会若不给以有节奏敲击，加入再多氯化钠溶液，也不会胶凝。胶凝
44、。第四十二页，讲稿共六十三页哦43432022/10/12022/10/13.1黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础 5.5.剪切速率与剪切应力的关系剪切速率与剪切应力的关系 牛顿黏性定律指出：流体流动时剪切速率牛顿黏性定律指出：流体流动时剪切速率与剪切应与剪切应力力成正比例关系，即：成正比例关系，即：=比例系数比例系数 称为黏度，是液体流动时有分子之间的摩称为黏度，是液体流动时有分子之间的摩擦产生的。黏度的国际单位为擦产生的。黏度的国际单位为PasPas，常用其导出单，常用其导出单位位mPasmPas。黏度是物质的固有性质。黏度是物质的固有性质。第四十三页，讲稿共六十三页哦4444202
45、2/10/12022/10/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素 1.1.分散相的影响分散相的影响（1 1）分散相浓度分散相浓度 分散相为刚性球体分散相为刚性球体 Einstein公式公式 数学表达式数学表达式Einstein建立的悬浮液分散体系的黏度建立的悬浮液分散体系的黏度 与分散相与分散相颗粒浓度公式：颗粒浓度公式：=0 0(1(12.5)2.5)0 0是连续相黏度；是连续相黏度；是是分散相体积分数。分散相体积分数。第四十四页，讲稿共六十三页哦45452022/10/12022/10/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素Einstein公式假设条件公式假设条件 a)a)N
46、ewton流体；流体；b)b)分散相为刚性球体；分散相为刚性球体；c)c)分散相颗粒间无相互作用力；分散相颗粒间无相互作用力；d)d)无紊流；无紊流；e)e)分散体系浓度很稀；分散体系浓度很稀；f)f)颗粒颗粒Brownian运动忽略不计。运动忽略不计。Einstein公式的物理意义公式的物理意义稀溶胶黏度随颗粒体积分数线性增大，稀溶胶黏度随颗粒体积分数线性增大，与颗粒尺与颗粒尺寸及剪切速率无关寸及剪切速率无关。第四十五页，讲稿共六十三页哦46462022/10/12022/10/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素 Einstein公式的应用条件公式的应用条件/%絮凝非絮凝絮凝非絮凝
47、通常，通常，5%5%时计算结果与测定值相符时计算结果与测定值相符。浓度大时，因质点。浓度大时，因质点间有相互作用，体系黏度将急剧增大，间有相互作用，体系黏度将急剧增大，EinsteinEinstein公式不适用。公式不适用。固有黏度求算公式固有黏度求算公式对溶胶分散体系，常用固有黏度对溶胶分散体系，常用固有黏度（极限黏度、特性黏度极限黏度、特性黏度）表表征体系黏度征体系黏度：=lim0(0)/0 分散相为刚性球时，分散相为刚性球时，=2.5=2.5；分散相为球形液滴，分散相为球形液滴，2.52.5；分散相为非球形颗粒或聚集颗粒，分散相为非球形颗粒或聚集颗粒，2.52.5。第四十六页，讲稿共六十
48、三页哦47472022/10/12022/10/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素（2 2）分散相黏度）分散相黏度 分散相为液体时，在剪切应力作用下悬浮液或乳分散相为液体时，在剪切应力作用下悬浮液或乳状液流动时，作为分散相的液滴也发生旋转，状液流动时，作为分散相的液滴也发生旋转，引起其引起其内部分子运动，运动程度与分散相黏度有关内部分子运动，运动程度与分散相黏度有关。TaylorTaylor公式公式 rel=12.5(2/5)0/0 relrel为相对黏度；为相对黏度；为分散相黏度；为分散相黏度；0 0为分散介质为分散介质黏度；黏度；为分散相体积分数。为分散相体积分数。当分散相为刚性
49、颗粒时，该式变为Einstein公式。第四十七页，讲稿共六十三页哦48482022/10/12022/10/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素Leviton公式公式对于对于0.4的浓度较大的乳状液：的浓度较大的乳状液：ln rel=2.5(5/31/3)(2/5)0/0乳化剂的加入，可促使分散相与分散介质之间乳化剂的加入，可促使分散相与分散介质之间的界面形成高强度膜，使液滴具有刚性。的界面形成高强度膜，使液滴具有刚性。悬浮液或稳定性差的乳状液中的液滴没有刚性，悬浮液或稳定性差的乳状液中的液滴没有刚性，而稳定性好的乳状液中液滴具有刚性，稳定性越好，其而稳定性好的乳状液中液滴具有刚性，稳
50、定性越好，其刚性越强。刚性越强。第四十八页，讲稿共六十三页哦49492022/10/12022/10/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素（3 3）分散相形状）分散相形状 若分散相质点是球形的，黏度的增大主要来若分散相质点是球形的，黏度的增大主要来源于流体经过质点时流线受到干扰。源于流体经过质点时流线受到干扰。若质点不是球形对称的，流体经过质点时，质点若质点不是球形对称的，流体经过质点时，质点要发生转动，额外消耗能量，同时质点之间也会相互担要发生转动，额外消耗能量，同时质点之间也会相互担扰，故黏度大增。扰，故黏度大增。质点形状不对称的结果使流体偏离质点形状不对称的结果使流体偏离Newt