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1、1 12024/7/62024/7/6食品物性学食品物性学第第3 3章章 黏性食品的流变特性黏性食品的流变特性Chapter Three The Rheological Property of Viscous Foods2 22024/7/62024/7/6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3 32024/7/62024/7/63 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
2、的流动和变形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的科学，主要研究作用于物体上的应力和由此产生的应变规律，是生的应变规律，是力、变形和时间力、变形和时间的函数。食品的函数。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，为了研究方便，食品流变学把食品物质按形多，为了研究方便，食品流变学把食品物质按形态简单分成液态食品、半固态食品和固态食品。态简单分成液态食品、半固态食品和固态食品。液体又可分为两大类，符合牛顿黏性定律的液体液体又可分为两大类，符合牛顿黏性定律的液体称之为称之为牛顿流体牛顿流体；不符合牛顿黏性定律的液体称；不符
3、合牛顿黏性定律的液体称之为之为非牛顿流体非牛顿流体。4 42024/7/62024/7/63.1 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，由于体系内由于体系内部各种部各种摩擦阻力摩擦阻力（真溶液的分子之间、分散（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介质与分散相之间、分散相之间及分散介质之间）之间）的存在的存在，表现为，表现为流体在运动过程中总流体在运动过程中总是在抵消外力或减弱流动是在抵消外力或减弱流动的现象。的现象。5 52024
4、/7/62024/7/63.1 黏性流体的流变学基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dvdx6 62024/7/62024/7/63.1 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，垂直于截面的应力分量，称为称为正应力正应力或或法向应力法向应力。相切于截面的应力分相切于截面的应力分量称为量称为剪切应力剪切应力。其单位。其单位是是PaPa。物体由于外
5、因物体由于外因（载荷、温度（载荷、温度变化等）变化等）而变形时，在它内部任而变形时，在它内部任一截面的两侧出现的相互作用力，一截面的两侧出现的相互作用力，称为称为内力内力。单位面积上的内力称。单位面积上的内力称为为应力应力。7 72024/7/62024/7/63.1 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，使流体内部与流体与流体间存在摩擦力，使流体内部与流体-界面接触处界面接触处的流动速率不同，诱发一个渐变的速率场，称为的流动速率不同，诱发一个渐变的速率场，称为剪切
6、剪切速率速率（或速度梯度、应变速率）（或速度梯度、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速率的关系曲线。有时也指黏度（表观黏度）及其表。有时也指黏度（表观黏度）及其表现形式与现形式与剪切速率、分散相粒径、分散相体积分数剪切速率、分散相粒径、分散相体积分数等等关系的曲线。关系的曲线。8 82024/7/62024/7/63.1 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
7、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黏性实验定律描述像水和空气这样的流体是适合的，的，对含高分子量的流体不适宜对含高分子量的流体不适宜，因其剪切应力与剪切速，因其剪切应力与剪切速率之间已率之间已不再是线性关系不再是线性关系。9 92024/7/62024/7/63.1 黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础2.2
8、.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。力与速率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，它表明有一类流体，其剪切应力与剪切速率呈线性关明有一类流体，其剪切应力与剪切速率呈线性关系。这类流体被称为系。这类流体被称为NewtonNewton流体。流体。非非NewtonNewton流体，问题复杂，流体，问题复杂，不是常数，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它与流体的物理性质和受到的剪切应力和剪切速率有关，率有关，流体的流动情况要改
9、变其内摩擦特性流体的流动情况要改变其内摩擦特性。为为剪切应力剪切应力；为为剪切速率剪切速率；是与剪切速率无关的常数，是与剪切速率无关的常数，是代表流是代表流体黏滞性的物理量，体黏滞性的物理量，反映了流体内摩擦反映了流体内摩擦力的大小力的大小，称为，称为流体的黏性系数流体的黏性系数，简称，简称黏度黏度。10102024/7/62024/7/63.3.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流体的流变曲线是剪切应力与剪切速率的关系曲线。的关系曲线。可将剪切应力为纵坐标，剪切速率为横可将剪切应力为纵坐标，剪切速率为横坐标，坐标，也可将剪切应力为横坐标，剪切速率也可将剪切应力为横坐标，剪切速
10、率为纵坐标。为纵坐标。图图3-23-2描述描述了了NewtonNewton流体和流体和几种非几种非NewtonNewton流流体体 塑性、假塑塑性、假塑性和膨胀流体的性和膨胀流体的流变曲线流变曲线。3.1 黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础图图3-2 3-2 四种流体的流变曲线四种流体的流变曲线11112024/7/62024/7/64.4.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流体的流变曲线是一条经过原点的直线，其的直线，其斜率即为流体的黏度斜率即为流体的黏度，斜率大小代表斜率大小代表黏度的高低黏度的高低。（2 2）黏度值是个）黏度值是个常数常
11、数，不受剪切速率或剪切，不受剪切速率或剪切应力单方面变化的影响，只有它们应力单方面变化的影响，只有它们同时变化才能同时变化才能影响黏度值影响黏度值。（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。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12122024/7/62024/7/63.1 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
12、体是流体是无弹性无弹性、不可压缩不可压缩和和各各向同性向同性的，实际上不存在这样的流体，但有些流的，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体因其性质在一定条件下与NewtonNewton流体流体相近相近，可，可近似为近似为NewtonNewton流体。流体。NewtonNewton流体具有恒定黏度的结论只在层流流体具有恒定黏度的结论只在层流条件下成立。条件下成立。13132024/7/62024/7/63.1 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
13、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、蔗糖蔗糖水水、汽水汽水、少数植物油少数植物油等等属于属于NewtonNewton流体流体，其它，其它绝大多数均为非绝大多数均为非NewtonNewton流体。流体。14142024/7/62024/7/63.1 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
14、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”都都属于非属于非NewtonNewton流体。流体。（2 2）非）非NewtonNewton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（剪切变稀）（剪切变稀）、胀塑性流体胀塑性流体（剪切变稠）（剪切变稠）、触变性触变性流体流体、流凝性流体流凝性流体等多种，描述其内摩擦特性的流等多种，描述其内摩擦特性的流变模型有多个。变模型有多个。如如Ostwald-dewaele幂律模型幂律模型、Ellis模型模型、Carreau模型模型和和Bingham模型模型等，其中幂定律模型最等，其中幂定律模型最为常用。为常用。剪切应力与剪切剪
15、切应力与剪切速率之间不满足线性速率之间不满足线性关系的流体称为关系的流体称为非非NewtonNewton流体流体。15152024/7/62024/7/63.1 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率梯度或剪切速率绝对值的指数函数：速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，此时具有黏度的量纲，此时流体为流体为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
16、增稠流体；仅有仅有n n、k k两参数，使用简便，应用广泛。工两参数，使用简便，应用广泛。工业上业上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为稠度系数为稠度系数，Pasn；n为流体特性指数为流体特性指数，无无因次，表示与因次，表示与Newton流体偏离的程度。流体偏离的程度。16162024/7/62024/7/63.1 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，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，该流体即为发生永久性变型，该流体即为塑
17、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（如烧制陶瓷的泥胎和金属），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NewtonNewton流体流体中的一种。中的一种。17172024/7/62024/7/63.1 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塑性流体流变性最常用的测定方法是旋转黏度计法。黏度计法。塑性流体流变曲线的直线段可用下式表征塑性流体流变曲线的直线段可用下式表征其流变特性：其流变特性：
18、=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是塑性流体的两个特征参数。个特征参数。18182024/7/62024/7/63.1 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 流变曲线是流变曲线是一条不经过原点的一条不经过原点的直线。如直线。如图图3-43-4所所示。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19192024/7/62024/7/63.1 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
19、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后才能流动。后才能流动。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，称为长线与剪切应力轴的交点，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。20202024/7/62024/7/63.1 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
20、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，流体静止时，分散相颗粒间形成较弱的凝胶，在在剪切速率增大剪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物，颗粒由静止态运动起来阻力大阻力大，当受到足够的剪，当受到足够的剪切时，原来比较散乱的链状颗粒滚动、旋转，切时，原来比较散乱的链状颗粒滚动、旋转，收缩成收缩成团团，减少了相互钩挂，形成，减少了相互钩挂，形成定向排列定向排列，黏度减
21、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结构组成的（分散相颗粒浓度大到一定程度，彼此（分散相颗粒浓度大到一定程度，彼此互相接触时，才能形成塑性流体）互相接触时，才能形成塑性流体），要使流体流动，要使流体流动，必须必须使剪切应力超过屈服应力，破坏其网络结构，使剪切应力超过屈服应力，破坏其网络结构，流体才能流动流体才能流动。塑性流体是剪塑性流体是剪切变稀型流体，黏切变稀型流体，黏度随剪切速率增大度随剪切速率增大而减小。而减小。21212024/7/62024/7/63.1 黏性流体的流变学基础黏性流体的流
22、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22222024/7/62024/7/63.1 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构成的分散相颗粒组成的分散体系，分散体系，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构成的分散相颗粒组成的分散体系散体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。23232024/7/62024/7/63.1 黏性流体的流变学基础黏性流体
23、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3-7 3-7 果酱的流变曲线果酱的流变曲线24242024/7/62024/7/63.1 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表观黏度随剪切应力或剪切速率增大而减小的流体称为的流体称为假塑性流体假塑性流体。（2 2）流
24、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 a25252024/7/62024/7/6 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，且是剪有关，且是剪切速率切速率的函数：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，表观黏度：中，表观黏度：a=tani （i=1=1，2 2，3 3）|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，才近似为常只在很小的剪切速率范围内，才近似为常数。数。3.
25、1 黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础n n越偏离越偏离1 1，非，非NewtonNewton性性质越突出，质越突出，n n=1=1时代表的流体时代表的流体为为NewtonNewton流体流体。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26262024/7/62024/7/63.1 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，从截距作图，得一条直线，从截距和斜率可求出和斜率可求出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
26、 黏度随剪切速率增大而减小，剪切稀化作黏度随剪切速率增大而减小，剪切稀化作用突出；用突出；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流变曲线为通过坐标原点凸向剪切应力轴的曲线。的曲线。27272024/7/62024/7/63.1 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（如淀粉、羧甲基纤维素、橡胶、藻蛋白酸钠、木质素磺酸钠等）维素、橡胶、藻蛋白酸钠、木质素磺酸钠等）溶
27、液、乳状液和发生絮凝的溶胶都属于这类流溶液、乳状液和发生絮凝的溶胶都属于这类流体。体。血液在低剪切速率时也表现出假塑性流体血液在低剪切速率时也表现出假塑性流体性质。性质。28282024/7/62024/7/63.1 黏性流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分散体系中分散相颗粒在剪切应力的强烈作用下，在剪切应力的强烈作用下，成为疏松排列结构，导致视成为疏松排列结构，导致视体积增大的现象称为体积增大的现象称为膨胀现膨胀现象象。凡是表观黏度随剪切速凡是表观黏度随剪切速率增大而增稠的流体，不管率增
28、大而增稠的流体，不管在剪切应力作用下有无体积在剪切应力作用下有无体积膨胀都可称为膨胀都可称为膨胀流体膨胀流体。29292024/7/62024/7/63.1 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，有关，且是剪切速率且是剪切速率的函数：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 2，3 3）这些公式都显示出该类流体这些公式
29、都显示出该类流体的的表观黏度随剪切速率或剪切应表观黏度随剪切速率或剪切应力的增大而增大的特征。力的增大而增大的特征。30302024/7/62024/7/63.1 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，从截距和斜作图，得一条直线，从截距和斜率可求出率可求出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流变曲线为通过坐标原点凹向剪切应力轴的曲线。曲线。图图3-
30、9 3-9 膨胀流体的流变曲线膨胀流体的流变曲线31312024/7/62024/7/63.1 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，层间的相对运动将使颗粒偏离最紧密排列，体积体积有所增加，需消耗额外能量。有所增加，需消耗额外能量。当流速增加而使颗粒当流速增加而使颗粒动能升高动能升高时，可能越时，可能越过絮凝所要克服的能垒，而发生絮凝使过絮凝所要克服的能垒，而发生絮凝使黏度增大黏度增大。32322024/7/62024/7/6a)a)流体在静止
31、或剪切应力小时分散相颗粒是完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；全分散开的，黏度很小；当剪切应力大时，流体运当剪切应力大时，流体运动中颗粒碰撞机会多，碰在一起的颗粒形成结构，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，大大增加了流体的流动阻力，故故显现出剪切稠化现显现出剪切稠化现象象。b)b)若分散相浓度太小，不足以形成结构，则流若分散相浓度太小，不足以形成结构，则流体无膨胀性特征体无膨胀性特征；若分散相浓度很大，若分散相浓度很大，静止时就能静止时就能形成结构，再搅动流体结构也不会发生大变化，形成结构，再搅动流体结构也不会发生大变化，剪剪切增稠
32、不明显，不呈膨胀性。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33332024/7/62024/7/63.1 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它机械力作用下，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性质。复到凝胶状的性质。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-溶溶胶胶”之间相互转换过
33、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。如如将氢氧化铝或氢氧化铁等凝将氢氧化铝或氢氧化铁等凝胶胶装入试管中，静止状态时缓慢倾装入试管中，静止状态时缓慢倾斜，不流动，但用力摇晃后即可流斜，不流动，但用力摇晃后即可流动。动。34342024/7/62024/7/63.1 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、（摇动、振动、搅动等）搅动等）后，流动性从无到有或从小到大变化。后，
34、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，流动性从当去除外力，静止一段时间后，流动性从大到小或从有到无变化。大到小或从有到无变化。触变性流体也是一种塑性体，并且有剪切触变性流体也是一种塑性体，并且有剪切稀化作用。稀化作用。在剪切作用下流体由黏在剪切作用下流体由黏稠状态变为流动性较大的状稠状态变为流动性较大的状态，而态，而剪切作用消除后，滞剪切作用消除后，滞后一段时间流体又恢复到原后一段时间流体又恢复到原来状态来状态，具有这种性质的流，具有这种性质的流体称为体称为触变流体触变流体。35352024/7/62024/7/63.1 黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础（3 3）流
35、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滞后圈是剪切速率由小到大测定的剪切应力力-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测定的剪切应力-剪切剪切速率线所围成。速率线所围成。剪切速率减小时称降速线，反之称增速线，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。且降速线在增速线的下方。如如图图3-103-10所示，所示，它形如织布梭或一叶它形如织布梭或一叶轻舟。轻舟。触变性流体的流变曲线触变性流体的流变曲线有滞后圈。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
36、后圈36362024/7/62024/7/6（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。到结构恢复是一个等温可逆过程。触变结构的破坏与形成是时间的函数，结构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。的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，定的剪切速率下，它的黏度也随时间的推移而下降，并达到一个常数值。并达到一个常数值。流变曲线表现为流
37、变曲线表现为“上行曲线上行曲线”不再与不再与“下行下行曲线曲线”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”触变环触变环。这个这个“梭形梭形”触变环的面积大小反映着触变环的面积大小反映着流体触变特性的强弱，它流体触变特性的强弱，它表示破坏触变结构表示破坏触变结构所需要的能量所需要的能量。两次剪切作用之间的结构恢复时间的长两次剪切作用之间的结构恢复时间的长短与触变性强弱有关，短与触变性强弱有关，触变性越强触变性越强，恢复时恢复时间越短间越短。流体经长时间高速剪切可从高黏流体经长时间高速剪切可从高黏凝胶态变为低黏溶胶态，具有剪切稀凝胶态变为低黏溶胶态，具
38、有剪切稀化现象。化现象。流体剪切后再保持静止有重新稠流体剪切后再保持静止有重新稠化的可逆现象。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，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，可以恢复经过几小时或更长的时间，可以恢复到初始的黏度值。到初始的黏度值。37372024/7/62024/7/6（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
39、，形用，距离一定的静止颗粒，两种力达到平衡，形成凝胶。成凝胶。搅动后，凝胶遭到破坏，分散相颗粒呈搅动后，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。分散状态而自由运动，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，架子被拆散，拆散架子与架子重新搭起均需时，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
40、成凝胶、触变性更突出释不对称性颗粒更易形成凝胶、触变性更突出的现象。的现象。触变性的形成是个比较复杂的过程，触变性的形成是个比较复杂的过程，触变性流体也是个复杂体系，其形成机理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，但比较流行目前仍没有非常一致的观点，但比较流行的机理有两种。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该理论可解释针状和片状的分散相颗粒容易可解释针状和片状的分散相颗粒容易形成结构、触变性突出的现象形成结构、触变性突出的现象，是最流行的一种，是最流行的一种理论。但对分散相浓度很低理论。但对分散相浓度很低（小于（小于1%1%）的分散体的
41、分散体系，无法解释无颗粒间相互接触，却能表现出触系，无法解释无颗粒间相互接触，却能表现出触变性的现象。变性的现象。38382024/7/62024/7/63.1 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，如低温下贮存的稠稠粥、番茄调味酱、嫩豆腐脑、玉米面糊粥、番茄调味酱、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。1.1.2 2分别是经过分别是经过ABAB1 1和和ABAB2 2历程所采用的剪历程所采用的剪切速
42、率；切速率；塑塑,1.,1.塑塑,2,2分别分别是是B B1 1A A和和B B2 2A A所代表的流所代表的流体的塑性黏度体的塑性黏度（如图（如图15-3615-36右所示）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39392024/7/62024/7/63.1 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当受到震击或搅动时即有流动性或流动性大增，较易倾倒。再静止足够时间后，又很难流动。增，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
43、开后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，黏度很快升高，油漆不至于流下来，否则薄厚不匀，出现流道。出现流道。当来回刷的过程中有很好的流动性，既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。省力又能确保油漆层薄、均匀而光亮。具有触变性的食品具有触变性的食品食用时有柔化爽口之感。食用时有柔化爽口之感。40402024/7/62024/7/63.1 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 1）在一定剪切速率下，）在一定剪切速率下，剪切应力随时间延剪切应力随时间延长而增大长而增大。取消剪切应力后，也
44、要滞后一段时间流。取消剪切应力后，也要滞后一段时间流体才变稀。体才变稀。（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“有有节奏的震动节奏的震动”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）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。的圆周运动、摆动或摆动式搅动等。若无外界若无外界“震震动动”，就不会形成凝胶。，就不会形成凝胶。流凝性流体在剪切作用流凝性流体在剪切作用下变稠。下变稠。41412024/7/62024/7/63.1 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
45、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）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；凝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，以上，且润湿性良好；且润湿性良好；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%，分散相颗粒是非对称的，凝胶的形成是颗粒定向，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。排列的结果。42422024/7/62024/7/63.1 黏性流体的流变学基础黏性流体的流变学基础 流凝流
46、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分散在蒸馏水中，用离心机离心，除去沉淀颗粒，取水中，用离心机离心，除去沉淀颗粒，取悬浮液悬浮液，放入试管中，加一滴饱和氯化钠溶液，用胶皮棒有放入试管中，加一滴饱和氯化钠溶液，用胶皮棒有节奏地轻轻敲打试管，在室温下很快就胶凝。节奏地轻轻敲打试管，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，若不给以有节奏敲击，加入再多氯化钠溶液，也不会胶凝。也不会胶凝。43432024/7/62024/7/63.1 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
47、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与剪切应力切应力成正比例关系，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。黏度的国际单位为摩擦产生的。黏度的国际单位为PaPas s，常用其导，常用其导出单位出单位mPamPas s。黏度是物质的固有性质。黏度是物质的固有性质。44442024/7/62024/7/63.2 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
48、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 与分与分散相颗粒浓度公式：散相颗粒浓度公式：=0 0(1(12.5)2.5)0 0 0 0是连续相黏度；是连续相黏度；是连续相黏度；是连续相黏度；是分散相体积分数。是分散相体积分数。是分散相体积分数。是分散相体积分数。45452024/7/62024/7/63.2 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)Newton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
49、)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，与颗与颗粒尺寸及剪切速率无关粒尺寸及剪切速率无关。46462024/7/62024/7/63.2 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，。浓度大时，因质点间有相互作用，体系黏度将急剧增大，因质点间有相互作用，体系黏度将急剧增大，EinsteinE
50、instein公公式不适用。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、特性黏极限黏度、特性黏度度）表征体系黏度表征体系黏度：=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。47472024/7/62024/7/63.2 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分散相为液体时，在剪切应力作用下悬浮液或乳状液流动