黏性食品的流变特性

12020/9/16《食品物性学》第3章黏性食品的流变特性ChapterThreeTheRheologicalPropertyofViscousFoods22020/9/16《食品物性学》教学内容3.1黏性流体的流变学基础3.2剪切黏度的影响因素3.3流变参数实验确定方法32020/9/163黏性食品的流变特性流变学(Rheology)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变规律，是力、变形和时间的函数。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。液体又可分为两大类，符合牛顿黏性定律的液体称之为牛顿流体；不符合牛顿黏性定律的液体称之为非牛顿流体。42020/9/163.1黏性流体的流变学基础3.1.1黏性及牛顿黏性定律1.黏性流动的概念流体在外力作用下流动时，由于体系内部各种摩擦阻力（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）的存在，表现为流体在运动过程中总是在抵消外力或减弱流动的现象。52020/9/163.1黏性流体的流变学基础(a)平板模型示意图图3-1平行板间流体层流模型中内摩擦(b)流速梯度分布示意图dvdx62020/9/163.1黏性流体的流变学基础2.剪切应力（1）应力（2）正应力（3）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。72020/9/163.1黏性流体的流变学基础3.剪切速率流体在两界面（如平行板）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-界面接触处的流动速率不同，诱发一个渐变的速率场，称为剪切速率（或速度梯度、应变速率）。4.流动特性曲线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曲线。有时也指黏度（表观黏度）及其表现形式与剪切速率、分散相粒径、分散相体积分数等关系的曲线。82020/9/163.1黏性流体的流变学基础3.1.2黏性流体的分类及特点3.1.2.1Newton流体1.概念Newton流体是指在任意小的外力作用下即能流动的流体，并且剪切应力σ与流动的剪切速率έ大小成正比。※Newton定律的局限性Newton黏性实验定律描述像水和空气这样的流体是适合的，对含高分子量的流体不适宜，因其剪切应力与剪切速率之间已不再是线性关系。92020/9/163.1黏性流体的流变学基础2.流变方程数学表达式σ＝ηέ①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。②式σ＝ηέ又称Newton剪切应力公式，它表明有一类流体，其剪切应力与剪切速率呈线性关系。这类流体被称为Newton流体。③非Newton流体，问题复杂，η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，流体的流动情况要改变其内摩擦特性。σ为剪切应力；έ为剪切速率；η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，称为流体的黏性系数，简称黏度。102020/9/163.流变曲线流体的流变曲线是剪切应力与剪切速率的关系曲线。可将剪切应力为纵坐标，剪切速率为横坐标，也可将剪切应力为横坐标，剪切速率为纵坐标。图3-2描述了Newton流体和几种非Newton流体——塑性、假塑性和膨胀流体的流变曲线。3.1黏性流体的流变学基础图3-2四种流体的流变曲线112020/9/164.流体特征（1）Newton流体的流变曲线是一条经过原点的直线，其斜率即为流体的黏度，斜率大小代表黏度的高低。（2）黏度值是个常数，不受剪切速率或剪切应力单方面变化的影响，只有它们同时变化才能影响黏度值。（3）只要有力作用即流动，无论力大小。见图3-3。3.1黏性流体的流变学基础图3-3牛顿流体特性曲线122020/9/163.1黏性流体的流变学基础※关于Newton流体有两点说明①绝对的Newton流体是不存在的理想的Newton流体是无弹性、不可压缩和各向同性的，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Newton流体相近，可近似为Newton流体。②Newton流体具有恒定黏度的结论只在层流条件下成立。132020/9/163.1黏性流体的流变学基础5.实例化工领域著名的Newton流体的例子是甘油、乙醇、极稀的溶胶和高分子溶液等。在食品工业中，只有水、白醋、白酒、蔗糖水、汽水、少数植物油等属于Newton流体，其它绝大多数均为非Newton流体。142020/9/163.1黏性流体的流变学基础3.1.2.2非Newton流体（1）非Newton流体种类繁多，不胜枚举绝大多数生物流体，如人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液以及像细胞质那样的“半流体”都属于非Newton流体。（2）非Newton流体包括塑性流体、假塑性流体（剪切变稀）、胀塑性流体（剪切变稠）、触变性流体、流凝性流体等多种，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。152020/9/163.1黏性流体的流变学基础※幂定律模型将非Newton流体的黏度描述为速率梯度或剪切速率绝对值的指数函数：σ0=k(dvx/dy)n=kέn或η=k(dvx/dy)n=kέn-1①当n=1时，η=k，即k具有黏度的量纲，此时流体为Newton流体；②当n1时，为假塑性或剪切变稀流体；③当nl时，为胀塑性或剪切增稠流体；④仅有n、k两参数，使用简便，应用广泛。工业上80％以上的非Newton流体均可用此模型描述。K为稠度系数，Pa·sn；n为流体特性指数，无因次，表示与Newton流体偏离的程度。162020/9/163.1黏性流体的流变学基础1.塑性流体（1）概念当物体受到超过某特定阈值的剪切应力作用后，发生永久性变型，该流体即为塑性体。塑性体有液体也有固体（如烧制陶瓷的泥胎和金属），一般将液体的塑性体称为塑性流体。塑性流体也称Bingham流体，是非Newton流体中的一种。172020/9/163.1黏性流体的流变学基础（2）流变方程①塑性流体流变性最常用的测定方法是旋转黏度计法。②塑性流体流变曲线的直线段可用下式表征其流变特性：σ=σ0＋η塑έ（σ＞σ0）③屈服应力σ0和塑性黏度η塑是塑性流体的两个特征参数。182020/9/163.1黏性流体的流变学基础（3）流变曲线①流变曲线是一条不经过原点的直线。如图3-4所示。②剪切应力超过时σ0，流动特征符合Newton流型。图3-4塑性流体流动曲线192020/9/163.1黏性流体的流变学基础（4）流体特征①存在屈服应力σ0剪切应力小于某一数值σ0时不能流动，大于σ0后才能流动。※屈服应力分析第一个屈服应力是流体刚开始流动的切力fL，称为静切力。第二个屈服应力是流变曲线直线段的反向延长线与剪切应力轴的交点，称为动切力fB（或称Bingham值）。第三个屈服应力是流体开始层流的切力fM。202020/9/163.1黏性流体的流变学基础②黏度随剪切速率而变化※塑性流体呈剪切稀化性的原因a)流体静止时，分散相颗粒间形成较弱的凝胶，在剪切速率增大时该凝胶被破坏，使黏度减小。b)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阻力大，当受到足够的剪切时，原来比较散乱的链状颗粒滚动、旋转，收缩成团，减少了相互钩挂，形成定向排列，黏度减小。如图3-5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。212020/9/163.1黏性流体的流变学基础图3-5剪切稀化原理示意图222020/9/163.1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a)由直链大分子构成的分散相颗粒组成的分散体系，比支链结构的剪切稀化作用强。b)长链大分子构成的分散相颗粒组成的分散体系比短链结构分子剪切稀化作用大。232020/9/163.1黏性流体的流变学基础（5）塑性流体实例①浓肉汤。②苹果酱、番茄酱和巧克力等。③牙膏和芥末辣酱是塑性流体。④油墨、油漆、黏土浆等也是塑性流体。图3-6浓肉汤的流变曲线图3-7果酱的流变曲线242020/9/163.1黏性流体的流变学基础2.假塑性流体（1）概念表观黏度随剪切应力或剪切速率增大而减小的流体称为假塑性流体。（2）流变方程σ=kέn（0＜n＜1）表观黏度a与τ和έ的一般关系为：σ=aέ252020/9/16①a与稠度系数k和流型指数n有关，且是剪切速率έ的函数：a=kέn-1②a与一定的剪切速率相对应，在图15-30中，表观黏度：a=tanθi（i=1，2，3……）③|n-1|作为其非Newton性质的度量。④n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3-8假塑性流体的流变曲线262020/9/163.1黏性流体的流变学基础（3）流变曲线①若以lgσ对lgέ作图，得一条直线，从截距和斜率可求出n、k值。②流体表观黏度随剪切应力的增大而减小。（4）流体特征①黏度随剪切速率增大而减小，剪切稀化作用突出；②在任何剪切应力范围内均无弹性特征；③无屈服应力，一旦施加外力就能流动；④流变曲线为通过坐标原点凸向剪切应力轴的曲线。272020/9/163.1黏性流体的流变学基础（5）典型的假塑性流体大多数高分子化合物（如淀粉、羧甲基纤维素、橡胶、藻蛋白酸钠、木质素磺酸钠等）溶液、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。282020/9/163.1黏性流体的流变学基础3.膨胀流体（1）概念※膨胀现象※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。292020/9/163.1黏性流体的流变学基础（2）流变方程σ=kέn（1＜n＜∞）表观黏度公式：σ=aέ①表观黏度a与稠度系数k和流型指数n有关，且是剪切速率έ的函数：a=kέn-1②a与一定的剪切速率相对应a=tanθi（i=1，2，3……）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。302020/9/163.1黏性流体的流变学基础（3）流变曲线以lgτ对lgέ作图，得一条直线，从截距和斜率可求出n、k值。（4）流体特征①无屈服应力，一加外力就流动。②黏度随έ增加而增大，有剪切稠化现象。③流变曲线为通过坐标原点凹向剪切应力轴的曲线。图3-9膨胀流体的流变曲线312020/9/163.1黏性流体的流变学基础※流体剪切稠化的原因①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，体积有所增加，需消耗额外能量。②当流速增加而使颗粒动能升高时，可能越过絮凝所要克服的能垒，而发生絮凝使黏度增大。322020/9/16a)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332020/9/163.1黏性流体的流变学基础4.触变流体（1）触变性①所谓触变性是指一些分