黏性食品的流变特性课件

1 12024/8/12024/8/1食品物性学食品物性学第第3 3章章 黏性食品的流黏性食品的流变特性特性ChapterThreeTheRheologicalPropertyofViscousFoods2 22024/8/12024/8/1食品物性学食品物性学教学内容教学内容3.1 3.1 黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础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 流流变参数参数实验确定方法确定方法3 32024/8/12024/8/13黏性食品的流黏性食品的流变特性特性 流流变学学(Rheology)(Rheology)是研究物是研究物质的流的流动和和变形形的科学，主要研究作用于物体上的的科学，主要研究作用于物体上的应力和由此力和由此产生的生的应变规律，是律，是力、力、变形和形和时间的函数。食品的函数。食品流流变学研究的学研究的对象是食品物象是食品物质。食品物。食品物质种种类繁繁多，多，为了研究方便，食品流了研究方便，食品流变学把食品物学把食品物质按形按形态简单分成液分成液态食品、半固食品、半固态食品和固食品和固态食品。食品。液体又可分液体又可分为两大两大类，符合牛，符合牛顿黏性定律的液体黏性定律的液体称之称之为牛牛顿流体流体；不符合牛；不符合牛顿黏性定律的液体称黏性定律的液体称之之为非牛非牛顿流体流体。4 42024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础3.1.13.1.1黏性及牛黏性及牛顿黏性定律黏性定律1.1.黏性流黏性流动的概念的概念流体在外力作用下流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（真溶液的分子之间、分散、分散介介质与分散相之与分散相之间、分散相之、分散相之间及分散介及分散介质之之间）的存在的存在，表，表现为流体在运流体在运动过程中程中总是在抵消外力或减弱流是在抵消外力或减弱流动的的现象。象。5 52024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础(a)平板模型示意平板模型示意图图3-1平行板平行板间流体流体层流模型中内摩擦流模型中内摩擦(b)流速梯度分布示意流速梯度分布示意图dvdx6 62024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础2.2.剪切剪切应力力 （1 1）应力力（2 2）正）正应力力（3 3）剪切）剪切应力力 垂直于截面的垂直于截面的应力分量，力分量，称称为正正应力力或或法向法向应力力。相切于截面的相切于截面的应力分力分量称量称为剪切剪切应力力。其。其单位位是是PaPa。物体由于外因物体由于外因（载荷、温度荷、温度变化等）化等）而而变形形时，在它内部任，在它内部任一截面的两一截面的两侧出出现的相互作用力，的相互作用力，称称为内力内力。单位面位面积上的内力称上的内力称为应力力。7 72024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础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）之之间流流动时，因材料，因材料与流体与流体间存在摩擦力，使流体内部与流体存在摩擦力，使流体内部与流体-界面接触界面接触处的流的流动速率不同，速率不同，诱发一个一个渐变的速率的速率场，称，称为剪切剪切速率速率（或速度梯度、（或速度梯度、应变速率）速率）。4.4.流流动特性曲特性曲线是是反映流体流反映流体流变性的曲性的曲线，泛指剪切，泛指剪切应力与剪切力与剪切速率的关系曲速率的关系曲线。有。有时也指黏度（表也指黏度（表观黏度）及其表黏度）及其表现形式与形式与剪切速率、分散相粒径、分散相体剪切速率、分散相粒径、分散相体积分数分数等等关系的曲关系的曲线。8 82024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础3.1.23.1.2黏性流体的分黏性流体的分类及特点及特点 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流体是指在任意小的外力作用下即能流动的流体，的流体，并且并且剪切剪切应力力与流与流动的剪切速率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黏性黏性实验定律描述像水和空气定律描述像水和空气这样的流体是适合的流体是适合的，的，对含高分子量的流体不适宜含高分子量的流体不适宜，因其剪切，因其剪切应力与剪切速力与剪切速率之率之间已已不再是不再是线性关系性关系。9 92024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础2.2.流流变方程方程 数学表达式数学表达式 流体流体层之之间单位面位面积的内摩擦力或剪切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剪切剪切应力公式力公式，它表，它表明有一明有一类流体，其剪切流体，其剪切应力与剪切速率呈力与剪切速率呈线性关性关系。系。这类流体被称流体被称为NewtonNewton流体。流体。非非NewtonNewton流体，流体，问题复复杂，不是常数，不是常数，它与流体的物理性它与流体的物理性质和受到的剪切和受到的剪切应力和剪切速力和剪切速率有关，率有关，流体的流流体的流动情况要改情况要改变其内摩擦特性其内摩擦特性。为剪切剪切应力力；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，称为流体的黏性系数流体的黏性系数，简称称黏度黏度。10102024/8/12024/8/13.3.流流变曲曲线流体的流流体的流变曲曲线是剪切是剪切应力与剪切速率力与剪切速率的关系曲的关系曲线。可将剪切可将剪切应力力为纵坐坐标，剪切速率，剪切速率为横横坐坐标，也可将剪切也可将剪切应力力为横坐横坐标，剪切速率，剪切速率为纵坐坐标。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、假塑性和膨性和膨胀流体的流体的流流变曲曲线。3.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础图3-2 3-2 四种流体的流四种流体的流变曲曲线11112024/8/12024/8/14.4.流体特征流体特征 （1 1）NewtonNewton流体的流流体的流变曲曲线是一条是一条经过原点原点的直的直线，其，其斜率即斜率即为流体的黏度流体的黏度，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）黏度值是个是个常数常数，不受剪切速率或剪切，不受剪切速率或剪切应力力单方面方面变化的影响，只有它化的影响，只有它们同同时变化才能影化才能影响黏度响黏度值。（3 3）只要有力作用即）只要有力作用即流流动，无，无论力大小。力大小。见图3-33-3。3.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础图3-3 3-3 牛牛顿流体特性曲流体特性曲线12122024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础 关于关于NewtonNewton流体有两点流体有两点说明明 绝对的的NewtonNewton流体是不存在的流体是不存在的理想的理想的NewtonNewton流体是流体是无无弹性性、不可不可压缩和和各各向同性向同性的，的，实际上不存在上不存在这样的流体，但有些流的流体，但有些流体因其性体因其性质在一定条件下与在一定条件下与NewtonNewton流体流体相近相近，可，可近似近似为NewtonNewton流体。流体。NewtonNewton流体具有恒定黏度的流体具有恒定黏度的结论只在只在层流流条件下成立。条件下成立。13132024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础5.5.实例例化工化工领域著名的域著名的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。在食品工在食品工业中，只有中，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，其它绝大多数均大多数均为非非NewtonNewton流体。流体。14142024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础3.1.2.2 3.1.2.2 非非NewtonNewton流体流体 （1 1）非）非NewtonNewton流体种流体种类繁多，不繁多，不胜枚枚举绝大多数生物流体，如大多数生物流体，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等多种体液以及像细胞胞质那那样的的“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（剪切变稀）稀）、胀塑性流体塑性流体（剪切（剪切变稠）稠）、触触变性性流体流体、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。模型有多个。如如Ostwald-dewaele幂律模型律模型、Ellis模型模型、Carreau模型模型和和Bingham模型模型等，其中等，其中幂定律模型最定律模型最为常用。常用。剪切剪切应力与剪切力与剪切速率之速率之间不不满足足线性性关系的流体称关系的流体称为非非NewtonNewton流体流体。15152024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础 幂定律模型定律模型将非将非NewtonNewton流体的黏度描述流体的黏度描述为速率梯度或剪切速率梯度或剪切速率速率绝对值的指数函数：的指数函数：0=k(dvx/dy)n=kn 或或=k(dvx/dy)n=kn-1当当n=1时，=k，即，即k具有黏度的量具有黏度的量纲，此，此时流体流体为Newton流体；流体；当当n n1ll时，为胀塑性或剪切增稠流体；塑性或剪切增稠流体；仅有有n n、k k两参数，使用两参数，使用简便，便，应用广泛。工用广泛。工业上上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为稠度系数稠度系数，Pasn；n为流体特性指数流体特性指数，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。16162024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础1.1.塑性流体塑性流体（1 1）概念）概念当物体受到超当物体受到超过某特定某特定阈值的剪切的剪切应力作用后，力作用后，发生永久性生永久性变型，型，该流体即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（如烧制陶瓷的泥胎和制陶瓷的泥胎和金属），金属），一般将液体的塑性体称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。17172024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础（2 2）流）流变方程方程 塑性流体流塑性流体流变性最常用的性最常用的测定方法是旋定方法是旋转黏黏度度计法。法。塑性流体流塑性流体流变曲曲线的直的直线段可用下式表征其段可用下式表征其流流变特性：特性：=0塑塑 （0）屈服屈服应力力0和塑性黏度和塑性黏度塑塑是塑性流体的两个是塑性流体的两个特征参数。特征参数。18182024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础（3 3）流）流变曲曲线 流流变曲曲线是一是一条不条不经过原点的直原点的直线。如。如图3-43-4所示。所示。剪切剪切应力超力超过时0，流，流动特征符特征符合合NewtonNewton流型。流型。图3-4 3-4 塑性流体流塑性流体流动曲曲线19192024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础（4 4）流体特征）流体特征 存在屈服存在屈服应力力0剪切剪切应力小于某一数力小于某一数值0时不能流不能流动，大于，大于0后才能流后才能流动。屈服屈服应力分析力分析第一个屈服第一个屈服应力是流体力是流体刚开始流开始流动的切力的切力fL，称，称为静切力静切力。第二个屈服第二个屈服应力是流力是流变曲曲线直直线段的反向延段的反向延长线与剪切与剪切应力力轴的交点，称的交点，称为动切力切力fB（或称（或称Bingham值）。）。第三个屈服第三个屈服应力是流体开始力是流体开始层流的流的切力切力fM。20202024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础 黏度随剪切速率而黏度随剪切速率而变化化 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)流体静止流体静止时，分散相，分散相颗粒粒间形成形成较弱的凝胶，在弱的凝胶，在剪切速率增大剪切速率增大时该凝胶被破坏，使凝胶被破坏，使黏度减小黏度减小。b)b)若分散相若分散相颗粒粒为棒状、片状或棒状、片状或线型大分子化合物，型大分子化合物，颗粒由静止粒由静止态运运动起来起来阻力大阻力大，当受到足，当受到足够的剪切的剪切时，原来比原来比较散乱的散乱的链状状颗粒粒滚动、旋、旋转，收收缩成成团，减，减少了相互少了相互钩挂，形成挂，形成定向排列定向排列，黏度减小黏度减小。如如图3-53-5所示。所示。塑性流体是由不塑性流体是由不对称性分散相称性分散相颗粒形成的网粒形成的网络结构构组成的成的（分散相（分散相颗粒粒浓度大到一定程度，彼此度大到一定程度，彼此互相接触互相接触时，才能形成塑性流体），才能形成塑性流体），要使流体流，要使流体流动，必必须使剪切使剪切应力超力超过屈服屈服应力，破坏其网力，破坏其网络结构，构，流体才能流流体才能流动。塑性流体是剪塑性流体是剪切切变稀型流体，黏稀型流体，黏度随剪切速率增大度随剪切速率增大而减小。而减小。21212024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础图3-5 3-5 剪切稀化原理示意剪切稀化原理示意图22222024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础 剪切稀化程度与分子剪切稀化程度与分子链长短和短和线型的关系型的关系 a)a)由由直直链大分子大分子构成的分散相构成的分散相颗粒粒组成的分成的分散体系，散体系，比支比支链结构的剪切稀化作用构的剪切稀化作用强。b)b)长链大分子大分子构成的分散相构成的分散相颗粒粒组成的分散成的分散体系体系比短比短链结构分子剪切稀化作用大构分子剪切稀化作用大。23232024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础（5 5）塑性流体）塑性流体实例例 浓肉肉汤。苹果苹果酱、番茄、番茄酱和巧克力等和巧克力等。牙膏和芥末辣牙膏和芥末辣酱是塑性流体。是塑性流体。油墨、油漆、黏土油墨、油漆、黏土浆等也是塑性流体。等也是塑性流体。图3-6 3-6 浓肉肉汤的流的流变曲曲线图3-7 3-7 果果酱的流的流变曲曲线24242024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础2.2.假塑性流体假塑性流体（1 1）概念）概念表表观黏度随剪切黏度随剪切应力或剪切速率增大而减小力或剪切速率增大而减小的流体称的流体称为假塑性流体假塑性流体。（2 2）流）流变方程方程=kn（0n1）表表观黏度黏度 a a与与和和的一般关系的一般关系为：=a a25252024/8/12024/8/1 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，且是剪切有关，且是剪切速率速率的函数：的函数：a a=k kn-n-1 1 a a与一定的剪切速率相与一定的剪切速率相对应，在，在图15-3015-30中，中，表表观黏度：黏度：a=tani （i=1=1，2 2，33）|n-1|1|作作为其非其非NewtonNewton性性质的度量。的度量。n只在很小的剪切速率范只在很小的剪切速率范围内，才近似内，才近似为常数。常数。3.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础n n越偏离越偏离1 1，非，非NewtonNewton性性质越突出，越突出，n n=1=1时代表的流体代表的流体为NewtonNewton流体流体。图3-8 3-8 假塑性流体的流假塑性流体的流变曲曲线26262024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础（3 3）流）流变曲曲线 若以若以lglg对lglg作作图，得一条直，得一条直线，从截距和，从截距和斜率可求出斜率可求出n n、k k值。流体表流体表观黏度随剪切黏度随剪切应力的增大而减小。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；在任何剪切在任何剪切应力范力范围内均无内均无弹性特征；性特征；无屈服无屈服应力，一旦施加外力就能流力，一旦施加外力就能流动；流流变曲曲线为通通过坐坐标原点凸向剪切原点凸向剪切应力力轴的曲的曲线。27272024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础（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、（如淀粉、羧甲基甲基纤维素、橡胶、藻蛋白酸素、橡胶、藻蛋白酸钠、木、木质素磺酸素磺酸钠等）等）溶液、乳状液和溶液、乳状液和发生絮凝的溶胶都属于生絮凝的溶胶都属于这类流流体。体。血液在低剪切速率血液在低剪切速率时也表也表现出假塑性流体出假塑性流体性性质。28282024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础3.3.膨膨胀流体流体 （1 1）概念）概念 膨膨胀现象象 膨膨胀流体流体 分散体系中分散相分散体系中分散相颗粒粒在剪切在剪切应力的力的强烈作用下，烈作用下，成成为疏松排列疏松排列结构，构，导致致视体体积增大的增大的现象称象称为膨膨胀现象象。凡是表凡是表观黏度随剪切速黏度随剪切速率增大而增稠的流体，不管率增大而增稠的流体，不管在剪切在剪切应力作用下有无体力作用下有无体积膨膨胀都可称都可称为膨膨胀流体流体。29292024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础（2 2）流）流变方程方程=k kn n （1 1n n）表表观黏度公式：黏度公式：=a a 表表观黏度黏度 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）这些公式都些公式都显示出示出该类流体流体的的表表观黏度随剪切速率或剪切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。30302024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础（3 3）流）流变曲曲线以以lglg对lglg作作图，得一条直，得一条直线，从截距和斜，从截距和斜率可求出率可求出n n、k k值。（4 4）流体特征）流体特征 无屈服无屈服应力，一加外力就流力，一加外力就流动。黏度随黏度随增加而增大，有剪切稠化增加而增大，有剪切稠化现象。象。流流变曲曲线为通通过坐坐标原点凹向剪切原点凹向剪切应力力轴的曲的曲线。图3-9 3-9 膨膨胀流体的流流体的流变曲曲线31312024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础 流体剪切稠化的原因流体剪切稠化的原因 当当颗粒粒浓度很高并接近最度很高并接近最紧密排列密排列时，两，两层间的相的相对运运动将使将使颗粒偏离最粒偏离最紧密排列，密排列，体体积有有所增加，需消耗所增加，需消耗额外能量。外能量。当流速增加而使当流速增加而使颗粒粒动能升高能升高时，可能越，可能越过絮凝所要克服的能絮凝所要克服的能垒，而，而发生絮凝使生絮凝使黏度增大黏度增大。32322024/8/12024/8/1a)a)流体在静止或剪切流体在静止或剪切应力小力小时分散相分散相颗粒是完粒是完全分散开的，黏度很小；全分散开的，黏度很小；当剪切当剪切应力大力大时，流体运，流体运动中中颗粒碰撞机会多，碰在一起的粒碰撞机会多，碰在一起的颗粒形成粒形成结构，构，大大增加了流体的流大大增加了流体的流动阻力，阻力，故故显现出剪切稠化出剪切稠化现象象。b)b)若分散相若分散相浓度太小，不足以形成度太小，不足以形成结构，构，则流流体无膨体无膨胀性特征性特征；若分散相若分散相浓度很大，度很大，静止静止时就能就能形成形成结构，再构，再搅动流体流体结构也不会构也不会发生大生大变化，化，剪剪切增稠不明切增稠不明显，不呈膨，不呈膨胀性。性。3.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础33332024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础4.4.触触变流体流体（1 1）触）触变性性 所所谓触触变性性是指一些分散体系在是指一些分散体系在搅动或其它或其它机械力作用下，使其不流机械力作用下，使其不流动或或难流流动的凝胶状的凝胶状转变为流流动的溶胶状，再静置一段的溶胶状，再静置一段时间体系又恢复体系又恢复到凝胶状的性到凝胶状的性质。触触变性可性可视为分散体系在恒温下分散体系在恒温下“凝胶凝胶-溶胶溶胶”之之间相互相互转换过程的流程的流变特性。特性。分散体系在剪切分散体系在剪切应力作用下力作用下产生形生形变，若若/之比之比值暂时减小，其必具触减小，其必具触变性。性。如如将将氢氧化氧化铝或或氢氧化氧化铁等凝等凝胶胶装入装入试管中，静止状管中，静止状态时缓慢慢倾斜，不流斜，不流动，但用力，但用力摇晃后即可流晃后即可流动。34342024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础（2 2）触）触变流体流体 触触变流体受剪切流体受剪切应力作用力作用（摇动、振、振动、搅动等）等）后，流后，流动性从无到有或从小到大性从无到有或从小到大变化。化。当去除外力，静止一段当去除外力，静止一段时间后，流后，流动性从大性从大到小或从有到无到小或从有到无变化。化。触触变性流体也是一种塑性体，并且有剪切稀性流体也是一种塑性体，并且有剪切稀化作用。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稠状态变为流流动性性较大的状大的状态，而，而剪切作用消除后，滞剪切作用消除后，滞后一段后一段时间流体又恢复到原流体又恢复到原来状来状态，具有，具有这种性种性质的流的流体称体称为触触变流体流体。35352024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础（3 3）流）流变曲曲线滞后圈是与滞后圈是与时间有关的流体流有关的流体流动经历曲曲线。滞后圈是剪切速率由小到大滞后圈是剪切速率由小到大测定的剪切定的剪切应力力-剪切速率剪切速率线与从大到小与从大到小测定的剪切定的剪切应力力-剪切速率剪切速率线所所围成。成。剪切速率减小剪切速率减小时称降速称降速线，反之称增速，反之称增速线，且降速且降速线在增速在增速线的下方。的下方。如如图3-103-10所示，所示，它形如它形如织布梭或一叶布梭或一叶轻舟。舟。触触变性流体的流性流体的流变曲曲线有滞后圈。有滞后圈。图3-10 3-10 触触变性流体的滞后圈性流体的滞后圈36362024/8/12024/8/1（4 4）流体特征）流体特征 触触变流体的特点流体的特点 触触变流体从有流体从有结构到无构到无结构，或从构，或从结构拆散到构拆散到结构恢复是一个等温可逆构恢复是一个等温可逆过程。程。触触变结构的破坏与形成是构的破坏与形成是时间的函数，的函数，结构的构的机械机械强度的度的变化也是化也是时间的函数。的函数。流体的黏度不流体的黏度不仅随剪切速率随剪切速率变化，而且在恒定化，而且在恒定的剪切速率下，它的黏度也随的剪切速率下，它的黏度也随时间的推移而下降，的推移而下降，并达到一个常数并达到一个常数值。流流变曲曲线表表现为“上行曲上行曲线”不再与不再与“下行曲下行曲线”重叠，而是两条曲重叠，而是两条曲线之之间形成了一个封形成了一个封闭的的“梭形梭形”触触变环。这个个“梭形梭形”触触变环的面的面积大小反映着大小反映着流体触流体触变特性的特性的强弱，它弱，它表示破坏触表示破坏触变结构构所需要的能量所需要的能量。两次剪切作用之两次剪切作用之间的的结构恢复构恢复时间的的长短与触短与触变性性强弱有关，弱有关，触触变性越性越强，恢复恢复时间越短越短。流体流体经长时间高速剪切可从高黏高速剪切可从高黏凝胶凝胶态变为低黏溶胶低黏溶胶态，具有剪切稀，具有剪切稀化化现象。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化的可逆现象。象。3.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础当剪切作用停止后，黏度又随当剪切作用停止后，黏度又随时间的推移而增高，大多数触的推移而增高，大多数触变性流体，性流体，经过几小几小时或更或更长的的时间，可以恢复，可以恢复到初始的黏度到初始的黏度值。37372024/8/12024/8/1（5 5）流体形成触）流体形成触变性的机理性的机理 静静电作用作用分散相分散相颗粒荷粒荷电，有静，有静电吸引与静吸引与静电排斥作排斥作用，距离一定的静止用，距离一定的静止颗粒，两种力达到平衡，形粒，两种力达到平衡，形成凝胶。成凝胶。搅动后，凝胶遭到破坏，分散相后，凝胶遭到破坏，分散相颗粒呈粒呈分散状分散状态而自由运而自由运动，形成溶胶。，形成溶胶。机械机械钩挂作用挂作用分散体系静止分散体系静止时，分散相，分散相颗粒之粒之间相互搭架相互搭架子而形成子而形成结构，流体受到剪切构，流体受到剪切应力作用力作用发生流生流动时，架子被拆散，拆散架子与架子重新搭起均需，架子被拆散，拆散架子与架子重新搭起均需要要时间，故而表，故而表现出出触触变性性。但但该理理论不适于非水分散介不适于非水分散介质，亦无法解，亦无法解释不不对称性称性颗粒更易形成凝胶、触粒更易形成凝胶、触变性更突出性更突出的的现象。象。触触变性的形成是个比性的形成是个比较复复杂的的过程，程，触触变性流体也是个复性流体也是个复杂体系，其形成机理体系，其形成机理目前仍没有非常一致的目前仍没有非常一致的观点，但比点，但比较流行流行的机理有两种。的机理有两种。3.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础该理理论可解可解释针状和片状的分散相状和片状的分散相颗粒容易粒容易形成形成结构、触构、触变性突出的性突出的现象象，是最流行的一种，是最流行的一种理理论。但。但对分散相分散相浓度很低度很低（小于（小于1%1%）的分散体的分散体系，无法解系，无法解释无无颗粒粒间相互接触，却能表相互接触，却能表现出触出触变性的性的现象。象。38382024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础（6 6）触）触变流体流体实例例具有触具有触变性的流体很多，如低温下性的流体很多，如低温下贮存的存的稠稠粥、番茄粥、番茄调味味酱、嫩豆腐、嫩豆腐脑、玉米面糊、玉米面糊等。等。它它们在容器中静止在容器中静止时无流无流动性或流性或流动性很弱，性很弱，倾倒倒时很很难流流动。1.1.2 2分分别是是经过ABAB1 1和和ABAB2 2历程所采用的剪程所采用的剪切速率；切速率；塑塑,1.,1.塑塑,2,2分分别是是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（如图15-3615-36右所示）右所示）。图3-11 3-11 触触变性随性随时间/剪切剪切速率速率变化曲化曲线39392024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础（7 7）流体触）流体触变性的作用性的作用 当受到震当受到震击或或搅动时即有流即有流动性或流性或流动性大增，性大增，较易易倾倒。再静止足倒。再静止足够时间后，又很后，又很难流流动。当将油漆新刷到当将油漆新刷到墙或或门窗上窗上时，刷子离开后，刷子离开后黏度很快升高，油漆不至于流下来，否黏度很快升高，油漆不至于流下来，否则薄厚不匀，薄厚不匀，出出现流道。流道。当来回刷的当来回刷的过程中有很好的流程中有很好的流动性，既性，既省力又能确保油漆省力又能确保油漆层薄、均匀而光亮。薄、均匀而光亮。具有触具有触变性的食品性的食品食用食用时有柔化爽口之感。有柔化爽口之感。40402024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础四、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，剪切剪切应力随力随时间延延长而增大而增大。取消剪切。取消剪切应力后，也要滞后一段力后，也要滞后一段时间流流体才体才变稀。稀。（2 2）它与膨）它与膨胀型流体不同，需要在外界型流体不同，需要在外界“有有节奏的震奏的震动”下方可形成凝胶。下方可形成凝胶。（3 3）有）有节奏的震奏的震动可以是可以是轻轻敲打、有敲打、有规则的的圆周运周运动、摆动或或摆动式式搅动等。等。若无外界若无外界“震震动”，就不会形成凝胶。，就不会形成凝胶。流凝性流体在剪切作用流凝性流体在剪切作用下下变稠。稠。41412024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础 流凝流体的流流凝流体的流变特性及其与特性及其与胀性流体的区性流体的区别 （1 1）外切）外切应力消除后，膨力消除后，膨胀流体立即稀化，而流流体立即稀化，而流凝流体仍保持一段凝流体仍保持一段时间凝胶状凝胶状态后再稀化；后再稀化；（2 2）膨）膨胀流体中分散相流体中分散相浓度高，常达度高，常达40%40%以上，且以上，且润湿性良好；湿性良好；流凝流体中分散相流凝流体中分散相浓度低，度低，约在在1%1%2%2%，分散相，分散相颗粒是非粒是非对称的，凝胶的形成是称的，凝胶的形成是颗粒定向排粒定向排列的列的结果。果。42422024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础 流凝流体的流凝流体的实例例将阳离子交将阳离子交换容量很大的容量很大的钠蒙脱土蒙脱土分散在蒸分散在蒸馏水中，用离心机离心，除去沉淀水中，用离心机离心，除去沉淀颗粒，取粒，取悬浮液浮液，放入放入试管中，加一滴管中，加一滴饱和和氯化化钠溶液，用胶皮棒有溶液，用胶皮棒有节奏地奏地轻轻敲打敲打试管，在室温下很快就胶凝。管，在室温下很快就胶凝。若不若不给以有以有节奏敲奏敲击，加入再多，加入再多氯化化钠溶液，溶液，也不会胶凝。也不会胶凝。43432024/8/12024/8/13.1黏性流体的流黏性流体的流变学基学基础 5.5.剪切速率与剪切剪切速率与剪切应力的关系力的关系 牛牛顿黏性定律指出：流体流黏性定律指出：流体流动时剪切速率剪切速率与剪与剪切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 称称为黏度，是液体流黏度，是液体流动时有分子之有分子之间的的摩擦摩擦产生的。黏度的国生的。黏度的国际单位位为PasPas，常用其，常用其导出出单位位mPasmPas。黏度是物。黏度是物质的固有性的固有性质。44442024/8/12024/8/13.2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）分散相分散相浓度度 分散相分散相为刚性球体性球体 Einstein公式公式 数学表达式数学表达式Einstein建立的建立的悬浮液分散体系的黏度浮液分散体系的黏度 与分与分散相散相颗粒粒浓度公式：度公式：=0 0(1(12.5)2.5)0 0 0 0是是是是连续连续相黏度；相黏度；相黏度；相黏度；是分散相体是分散相体是分散相体是分散相体积积分数。分数。分数。分数。45452024/8/12024/8/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素Einstein公式假公式假设条件条件 a)a)Newton流体；流体；b)b)分散相分散相为刚性球体；性球体；c)c)分散相分散相颗粒粒间无相互作用力；无相互作用力；d)d)无紊流；无紊流；e)e)分散体系分散体系浓度很稀；度很稀；f)f)颗粒粒Brownian运运动忽略不忽略不计。Einstein公式的物理意公式的物理意义稀溶胶黏度随稀溶胶黏度随颗粒体粒体积分数分数线性增大，性增大，与与颗粒尺寸及剪切速率无关粒尺寸及剪切速率无关。46462024/8/12024/8/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素 Einstein公式的公式的应用条件用条件/%絮凝非絮凝絮凝非絮凝通常，通常，5%5%时计算算结果与果与测定定值相符相符。浓度大度大时，因因质点点间有相互作用，体系黏度将急有相互作用，体系黏度将急剧增大，增大，EinsteinEinstein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 分散相分散相为刚性球性球时，=2.5=2.5；分散相分散相为球形液滴，球形液滴，2.52.5；分散相分散相为非球形非球形颗粒或聚集粒或聚集颗粒，粒，2.52.5。47472024/8/12024/8/13.2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 分散相分散相为液体液体时，在剪切，在剪切应力作用下力作用下悬浮液或浮液或乳状液流乳状液流动时，作，作为分散相的液滴也分散相的液滴也发生旋生旋转，引引起其内部分子运起其内部分子运动，运，运动程度与分散相黏度有关程度与分散相黏度有关。TaylorTaylor公式公式 rel=12.5(2/5)0/0 relrel为相相对黏度；黏度；为分散相黏度；分散相黏度；0 0为分散分散介介质黏度；黏度；为分散相体分散相体积分数。分数。当分散相当分散相为刚性性颗粒粒时，该式式变为Einstein公式公式。48482024/8/12024/8/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素Leviton公式公式对于于0.4的的浓度度较大的乳状液：大的乳状液：ln rel=2.5(5/31/3)(2/5)0/0乳化乳化剂的加入，可促使分散相与分散介的加入，可促使分散相与分散介质之之间的界面形成高的界面形成高强度膜，使液滴具有度膜，使液滴具有刚性。性。悬浮液或浮液或稳定性差的乳状液中的液滴没有定性差的乳状液中的液滴没有刚性，而性，而稳定性好的乳状液中液滴具有定性好的乳状液中液滴具有刚性，性，稳定性定性越好，其越好，其刚性越性越强。49492024/8/12024/8/13.2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 若分散相若分散相质点是球形的，黏度的增大主要点是球形的，黏度的增大主要来源于流体来源于流体经过质点点时流流线受到干受到干扰。若若质点不是球形点不是球形对称的，流体称的，流体经过质点点时，质点要点要发生生转动，额外消耗能量，同外消耗能量，同时质点之点之间也会相互担也会相互担扰，故黏度大增。，故黏度大增。质点形状不点形状不对称的称的结果使流体偏离果使流体偏离NewtonNewton流型。流型。分散相的形状分散相的形状对分散体系黏度影响很大，分散体系黏度影响很大，针状、棒状、片状、橄状、棒状、片状、橄榄状及其它不状及其它不规则形状必形状必须在球形基在球形基础上校正。上校正。剪切剪切应力与剪切速率的比力与剪切速率的比值不再是常数，它不再是常数，它随剪切速率的增加而下降随剪切速率的增加而下降，这是由是由不不对称称质点在点在速率梯度速率梯度场中的定向造成的中的定向造成的。50502024/8/12024/8/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素 含形状因子含形状因子F F的分散体系黏度公式：的分散体系黏度公式：=12.5(cF/)0 若分散相若分散相为球形球形颗粒，在流粒，在流场中流中流动阻力阻力具有具有对称性，称性，F=1；若分散相若分散相为极极细小的小的纤维，将在流，将在流场中沿中沿流流线排列，具有排列，具有最小阻力。最小阻力。这两种极端情况之外的其它条件下，两种极端情况之外的其它条件下，F=0.41.0。F F值主要由数学推主要由数学推导，再，再验证和校正。和校正。c(kgdm-3)为分散相分散相浓度；度；(kgdm-3)为颗粒密度；粒密度；0为分散分散介介质黏度。黏度。51512024/8/12024/8/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素（4 4）分散相尺寸）分散相尺寸 EinsteinEinstein公式中，分散体系的黏度只与球形公式中，分散体系的黏度只与球形对称的分散相的体称的分散相的体积分数有关，与分数有关，与质点大小无关，点大小无关，故未反映出黏度与故未反映出黏度与质点尺寸的关系。点尺寸的关系。若分散相若分散相质点不是球形点不是球形对称，黏度称，黏度则与与质点点大小有密切关系。大小有密切关系。分散相分散相为液滴液滴时，液滴尺寸，液滴尺寸对乳状液流乳状液流变性性质的影响取决于分散相的体的影响取决于分散相的体积分数和液滴分数和液滴间的相互的相互作用。作用。因因质点点变大后其大后其对称性称性变差差（如（如线性高分子化性高分子化合物），合物），使分散体系黏度升高。使分散体系黏度升高。52522024/8/12024/8/1 液滴相互作用液滴相互作用较弱弱时，液滴尺寸影响液滴尺寸影响brownianbrownian运运动和剪切和剪切应力效力效应，进而而影响乳状液流影响乳状液流变性性质。高剪切高剪切应力下，力下，剪切剪切应力效力效应大于布氏运大于布氏运动效效应，液滴尺寸液滴尺寸对乳状液黏乳状液黏度影响度影响较小小。b)b)=0.40的水包的水包油乳状液，液滴直径油乳状液，液滴直径从从0.53m增大到增大到1.08m时，其，其表表观黏黏度明度明显下降，剪切稀下降，剪切稀化作用减弱化作用减弱（见图15-17，不同液滴直径下水包正，不同液滴直径下水包正十六十六烷浓乳状液）乳状液）。3.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素a)a)液滴粒径在液滴粒径在0.7m30m之之间，且，且其体其体积分数很小分数很小时，乳乳状液黏度基本不受粒径状液黏度基本不受粒径变化影响。化影响。当液滴体当液滴体积分数分数0.450.45时，粒径，粒径变化化对黏度的影响明黏度的影响明显。53532024/8/12024/8/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素2.2.分散介分散介质的影响的影响与分散介与分散介质黏度相关的因素很多：黏度相关的因素很多：自身化学自身化学组成、流成、流变性性质、极性、极性、pHpH值及及电解解质浓度度等，等，情况比情况比较复复杂。（1 1）分散介）分散介质添加添加剂为满足加工、足加工、传输或或赋予某些特性，常向溶予某些特性，常向溶液、液、悬浮液、乳状液等分散体系中加入浮液、乳状液等分散体系中加入增黏增黏剂、降黏降黏剂或流型改或流型改进剂之之类的物的物质，它，它们对流体的流体的流流变性性产生很大影响生很大影响。如如为了了调整液整液态食品的流食品的流动性或口感性或口感，常在，常在分分散介散介质（水）中加入（水）中加入诸如如明胶、明胶、琼脂、海藻酸脂、海藻酸盐、淀粉和淀粉和羧甲基甲基纤维素之素之类的食品添加的食品添加剂，它，它们对分分散体系的流散体系的流变性性影响很大。影响很大。对分散介分散介质黏度有影黏度有影响的因素都影响着分散体响的因素都影响着分散体系黏度。系黏度。54542024/8/12024/8/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素（2 2）添加）添加剂浓度度对液体流液体流变性的影响性的影响 水溶性天然聚合物水溶性天然聚合物浓度达到度达到临界界值C C 时，水溶，水溶胶的黏度明胶的黏度明显升高。升高。C C 是是亲水溶胶从水溶胶从“稀稀释区区”向向“半稀半稀释区区”转变，聚合物分子由自由运聚合物分子由自由运动状状态向分子相互重叠和向分子相互重叠和渗透状渗透状态转变所所对应浓度度。聚合物聚合物浓度度低于低于C C 时，溶胶，溶胶呈呈NewtonNewton流体特征流体特征；大于大于C C 时，表，表现出出非非NewtonNewton流体特征流体特征。55552024/8/12024/8/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素3.3.乳状液中乳化乳状液中乳化剂的影响的影响 乳化乳化剂的的组成、性成、性质和加量和加量对乳状液黏度乳状液黏度的影响的影响 乳化乳化剂的化学成分影响分散液滴的化学成分影响分散液滴间位能位能（引（引力位能、斥力位能，甚至空力位能、斥力位能，甚至空间稳定位能），定位能），进而而影响其分散程度、分散相尺寸和有效体影响其分散程度、分散相尺寸和有效体积分数和分数和流流变性。性。56562024/8/12024/8/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素 乳化乳化剂浓度度对液滴分散程度的影响。液滴分散程度的影响。浓度度大小影响到分散相液滴大小影响到分散相液滴尺寸尺寸及及变形性形性、液滴相液滴相互作用互作用、界面膜界面膜强度度等，均影响等，均影响流流变性性。分散相液滴吸附乳化分散相液滴吸附乳化剂形成的界面膜性形成的界面膜性质对液滴液滴变形性形性、液滴液滴间相互作用相互作用等有影响。等有影响。它决定甚至改它决定甚至改变液滴荷液滴荷电性性，对流流变性性产生影响。生影响。57572024/8/12024/8/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素 当分散相是当分散相是刚性性颗粒粒时，温度，温度对分分散体系黏度的影响体散体系黏度的影响体现在其在其对分散介分散介质的的影响上，影响上，温度升高，分散介温度升高，分散介质的分子的分子间的的相互作用减弱相互作用减弱，黏度下降黏度下降，分散体系的黏，分散体系的黏度也下降。度也下降。温度是影响分散介温度是影响分散介质黏度的主要因素。黏度的主要因素。4.4.温度的影响温度的影响58582024/8/12024/8/13.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素 分散相分散相为液滴液滴时，温度升高除了温度升高除了对分散介分散介质黏度有影响外，黏度有影响外，还对分散相液滴黏度有影响。分散相液滴黏度有影响。温度升高，分散相黏度、分散相与分散介温度升高，分散相黏度、分散相与分散介质的界面膜黏度都下降。的界面膜黏度都下降。故分散体系黏度下降。故分散体系黏度下降。对于有些于有些浓溶胶体系，溶胶体系，温度升高可能温度升高可能导致胶致胶凝凝，如魔芋水溶胶和，如魔芋水溶胶和CMCCMC水溶胶。水溶胶。59592024/8/12024/8/1 （4 4）调整食品乳状液流整食品乳状液流变性性质的有效方法的有效方法 控制液滴控制液滴间的相互作用。的相互作用。促促进液滴絮凝，可液滴絮凝，可显著提高水包油乳状液的著提高水包油乳状液的黏度。黏度。（5 5）液滴体）液滴体积分数很小分数很小时，含絮凝液滴的乳状，含絮凝液滴的乳状液黏度更大，剪切稀化性明液黏度更大，剪切稀化性明显。（6 6）当乳状液液滴）当乳状液液滴产生絮凝生絮凝时，其黏度迅速增，其黏度迅速增大，液滴体大，液滴体积分数明分数明显下降。下降。3.2剪切黏度的影响因素剪切黏度的影响因素a)a)可通可通过添加生物聚合物添加生物聚合物产生生桥联絮凝；絮凝；b)b)通通过改改变pHpH值和离子和离子强度降低静度降低静电斥力；斥力；c)c)对蛋白蛋白质稳定的乳状液加定的乳状液加热，增大疏水，增大疏水引力，引力，实现絮凝；絮凝；d)d)往往连续相中添加表面活性胶束相中添加表面活性胶束（如十二（如十二烷基硫酸基硫酸钠，SDSSDS），由空位絮凝作用使液滴，由空位絮凝作用使液滴发生絮凝。生絮凝。60602024/8/12024/8/13.3流流变参数参数实验确定方法确定方法黏度黏度测量量时研究液研究液态食品的重要手段。做黏度食品的重要手段。做黏度测量量时要要针对被被测对象的性象的性质选择仪器。常器。常见的的测定定仪器有：器有：毛毛细管管黏度黏度计、旋、旋转黏度黏度计和落球黏度和落球黏度计等。等。毛毛细管黏度管黏度计由液体在毛由液体在毛细管里的流出管里的流出时间计算粘度。算粘度。落球黏度落球黏度计由由圆球在液体里的下落速度球在液体里的下落速度计算粘度。算粘度。旋旋转黏度度黏度度计由一由一转动物体在黏滞液体中所收的阻力物体在黏滞液体中所收的阻力求算粘度。求算粘度。61612024/8/12024/8/13.3流流变参数参数实验确定方法确定方法3.3.1 3.3.1 毛毛细管黏度管黏度计常常见的毛的毛细管黏度管黏度计有：奥氏黏度有：奥氏黏度计、乌氏黏度氏黏度计、平氏黏度、平氏黏度计、芬氏黏度、芬氏黏度计、逆流黏度、逆流黏度计。62622024/8/12024/8/13.3流流变参数参数实验确定方法确定方法3.3.2 3.3.2 落球黏度落球黏度计3.3.3 3.3.3 旋旋转黏度黏度计 使使圆筒、筒、圆板等在流体中旋板等在流体中旋转，或使，或使这些物体静止，而使周些物体静止，而使周围的流的流体作同心状旋体作同心状旋转流流动，这些物体将受到基于流体的粘滞阻力些物体将受到基于流体的粘滞阻力产生大的生大的力矩作用。若旋力矩作用。若旋转速度等条件相同，速度等条件相同，这个力矩大小将随流体的粘稠程个力矩大小将随流体的粘稠程度而度而变化，流体的粘度越大，力矩就越大，因此化，流体的粘度越大，力矩就越大，因此测定力矩就可确定流定力矩就可确定流体的粘度。旋体的粘度。旋转法法测定流体流定流体流变性性时，流体通常是，流体通常是处于物体与容器的于物体与容器的间隙中。根据物体与容器的几何形状，隙中。根据物体与容器的几何形状，测量系量系统可分可分为同同轴圆筒式、筒式、单圆筒式、筒式、锥板式、板式、锥筒式、筒式、锥锥式、板板式等式、板板式等结构。构。63632024/8/12024/8/1