第十五章分散体系流变性课件.ppt

1、第十五章第十五章 分散体系流变性分散体系流变性Chapter Fifteen The Rheological Property of Disperse System 黑 龙 江 八 一 农 垦 大 学黑 龙 江 八 一 农 垦 大 学河南科技大学河南科技大学齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学学习目的和要求学习目的和要求 1.1.理解理解流变性的含义和涉及的基本概念；熟流变性的含义和涉及的基本概念；熟练掌握流变性的影响因素。练掌握流变性的影响因素。2.2.掌握掌握几种主要流变模型流体的流动特性、几种主要流变模型流体的流动特性、形成机理、及其应用；形成机理、及其应用；3.3.熟练掌握熟练掌握流变性的测定方法

2、流变性的测定方法、仪器和装置仪器和装置；4.4.了解了解在线检测的意义及测试技术；在线检测的意义及测试技术；5.5.弄清弄清不同的分散体系流变性的异同。不同的分散体系流变性的异同。教学内容教学内容第一节第一节 流体的流变性与黏弹性流体的流变性与黏弹性第二节第二节 流体的黏度流体的黏度第三节第三节 流体的基础流变学流体的基础流变学计划学时计划学时 6 6一、一、分散体系流变性的含义及研究内容分散体系流变性的含义及研究内容 （1 1）分散体系分散体系 高分子溶液、溶胶、乳状液、细泡沫和悬浮液。高分子溶液、溶胶、乳状液、细泡沫和悬浮液。（2 2）分散体系流变性分散体系流变性 分散体系的变形性、分散体

3、系的变形性、黏滞特性和流动特性。黏滞特性和流动特性。（3 3）分散体系的流变性内涵分散体系的流变性内涵 高分子溶液、溶胶、乳状液、细泡沫和悬浮高分子溶液、溶胶、乳状液、细泡沫和悬浮液等液等分散体系的黏度及其影响因素。分散体系的黏度及其影响因素。流动性流动性（包括流型、流变方程和流变曲线包括流型、流变方程和流变曲线）及及应用。应用。黏弹性及描述等内容黏弹性及描述等内容。同时结合生产、生活同时结合生产、生活和科学研究实际讨论与分析其应用问题。和科学研究实际讨论与分析其应用问题。二、研究分散体系流变性的重要性二、研究分散体系流变性的重要性 （1 1）应用需求应用需求消费者对某些液体和固体物质的消费者

4、对某些液体和固体物质的流动性流动性质质、受力变形性质受力变形性质等都有一定的需求，它们直等都有一定的需求，它们直接接影响食用的难易影响食用的难易和和口感的好坏口感的好坏。日常生活中某些用品，要日常生活中某些用品，要满足使用满足使用也有也有一定的流变性要求。一定的流变性要求。（2 2）加工需求加工需求生产商为了便于高效、优质地加工食品、生产商为了便于高效、优质地加工食品、药品和其它化工产品，也要使原料及制品的变药品和其它化工产品，也要使原料及制品的变形和形和流动性满足工艺需求流动性满足工艺需求，同时也要依据加工，同时也要依据加工对象的流变性设计工艺、选配设备等都有其特对象的流变性设计工艺、选配设

5、备等都有其特殊要求。殊要求。一、流变性一、流变性一般流体受力后都要表现出一般流体受力后都要表现出流动能力流动能力和和变形变形及及形变恢复能力形变恢复能力。流体的流变性主。流体的流变性主要包括其要包括其黏性流动黏性流动、弹性变形弹性变形和黏弹性。和黏弹性。1.1.黏性流动黏性流动 （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

6、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。(a)平板模型示意图平板模型示意图图图15-1 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（2 2）黏性流动中剪切速率与剪切应力的关系黏性流动中剪切速率与剪切应力的关系 二、参数关系式二、参数关系式 Newton流体的流体的剪切速率剪切速率与与剪切应力剪切应力的关系：的关系：=流变曲线见图流变曲线见图15-2a15-2a，斜率即为，斜率即为Newton流体流体的黏度。的黏度。图图15-2b15-2b和和15-2c15-2c所示的所示的假塑性流体假塑性流体和和

7、胀塑胀塑性流体性流体，剪切速率与剪切应力的关系：，剪切速率与剪切应力的关系：=kn n是流型指数。是流型指数。假塑性流体假塑性流体n为为0 01.01.0，胀，胀塑性流体塑性流体n1 1；k是稠度系数。是稠度系数。d d2 2d d1 1 d d3 3 ac 具有屈服应力的流体曲线具有屈服应力的流体曲线b假塑性流体假塑性流体牛顿流体牛顿流体胀性流体胀性流体剪切速率剪切速率剪剪切切应应力力y屈服应力屈服应力图图15-2流变曲线流变曲线 剪切稀化流体剪切稀化流体许多食品流体具有图许多食品流体具有图15-2b15-2b所示的所示的“假塑假塑性性”，黏度随剪切速率的增大而减小，故也称，黏度随剪切速率的

8、增大而减小，故也称为为“剪切稀化流体剪切稀化流体”。剪切稠化流体剪切稠化流体图图15-2c15-2c所示的所示的“胀塑性胀塑性”，黏度随剪切，黏度随剪切速率的增大而增大，故称为速率的增大而增大，故称为“剪切稠化流体剪切稠化流体”或或“胀性流体胀性流体”。临界剪切应力临界剪切应力 a)a)有些食品流体存在屈服应力有些食品流体存在屈服应力yy，只，只有剪切应力超过该应力值时流体才能流动有剪切应力超过该应力值时流体才能流动，故也谓故也谓临界剪切应力临界剪切应力。b)b)剪切应力小于该值时剪切应力小于该值时，流体表现出固流体表现出固体性质体性质，只发生形变只发生形变，剪切应力大于该值时剪切应力大于该值

9、时，流体才现出液体性质。流体才现出液体性质。屈服应力在某些食品加工中的作用在巧克力、糖果等加工中，包衣材料等包在巧克力、糖果等加工中，包衣材料等包衣材料不能迅速结晶或固化情况下，屈服应力衣材料不能迅速结晶或固化情况下，屈服应力的大小决定其厚度的大小决定其厚度，若单位包衣面积若单位包衣面积（垂直）（垂直）上所施加的剪切应力大于屈服应力，包衣料将上所施加的剪切应力大于屈服应力，包衣料将从产品表面脱落，否则，包衣料不流动也不变从产品表面脱落，否则，包衣料不流动也不变形，黏附在产品表面上，无法形成包衣。形，黏附在产品表面上，无法形成包衣。三、参数关系式三、参数关系式 Ree-Eyring三参数流变方程

10、：三参数流变方程：=0(0)(sinh-1)/0、分别是剪切速率为分别是剪切速率为0 0和和时时Newton流体的黏度；流体的黏度；是特性松弛时间。是特性松弛时间。该方程揭示了该方程揭示了时间变量在流体流动时的时间变量在流体流动时的作用作用。四、参数关系式四、参数关系式 Cross四参数流变方程：四参数流变方程：=0 0(0 0)1)1(t(t)1-n1-n t是流体的另一种特性时间。是流体的另一种特性时间。有屈服应力的流变方程有屈服应力的流变方程 Casson方程：方程：1/21/2=y y1/21/2k1/21/2 Herschel-Buckley方程：方程：=y ykn n流变性的时间相

11、关性流变性的时间相关性 流变性与时间的相关性流变性与时间的相关性在食品加工过在食品加工过程不突出程不突出。在食品（如巧克力）的在食品（如巧克力）的贮藏阶段贮藏阶段流变流变性与时间的相关性显得异常重要。性与时间的相关性显得异常重要。流变性的温度相关性流变性的温度相关性 流体的黏度来自其运动时的内摩擦，内摩擦流体的黏度来自其运动时的内摩擦，内摩擦是分子运动现象，是分子运动现象，任何影响分子运动的因素都将影任何影响分子运动的因素都将影响内摩擦响内摩擦。Newton流体黏度、非流体黏度、非Newton流体的流体的表观黏表观黏度度、稠度系数都与温度有关稠度系数都与温度有关（随温度升高而减小随温度升高而减

12、小），），但流型指数几乎不受温度影响。但流型指数几乎不受温度影响。在流体流变性测定时要严格在流体流变性测定时要严格控制温度波动控制温度波动。2.2.弹性变形弹性变形 （1 1）Hooke体数学表达式体数学表达式 将受力后将受力后应力与应变呈应力与应变呈=G=G关系关系的固体称为的固体称为 Hooke体体。（2 2）Hooke（理想弹性体；完全弹性体理想弹性体；完全弹性体）体的含义体的含义 在某物体上施加剪切应力，它产生形变，在某物体上施加剪切应力，它产生形变，形形变量与剪切应力大小成正比变量与剪切应力大小成正比，比例系数是一常数。，比例系数是一常数。若若去除剪切应力去除剪切应力，存在于物体内部

13、的能量立，存在于物体内部的能量立即释放出来，即释放出来，物体恢复原有形态和大小物体恢复原有形态和大小。（3 3）弹性变形弹性变形 变形与流动的情况变形与流动的情况胶皮糖、面包、馒头和某些果蔬在一定剪胶皮糖、面包、馒头和某些果蔬在一定剪切应力范围内发生的应变可近似地认为弹性变形。切应力范围内发生的应变可近似地认为弹性变形。与完全弹性体相对应的是与完全弹性体相对应的是Newton流体，它流体，它受力后不储能。受力后不储能。理想的弹性体和理想的弹性体和Newton流体是极少的，弹流体是极少的，弹性体和黏性体划分也不是绝对的。性体和黏性体划分也不是绝对的。只有只有Hooke体的变形才能谓体的变形才能谓

14、之之弹性变形弹性变形。所谓弹性变形是指所谓弹性变形是指能够能够发生类似发生类似HookeHooke体那样有显著体那样有显著弹性的物体弹性的物体的变形。的变形。3.3.黏弹性黏弹性（1 1）黏弹性黏弹性 概念概念 有些流体不是严格意义的固体和液体有些流体不是严格意义的固体和液体，而是而是流变性质介于两者之间流变性质介于两者之间，并且在外力作用下既表并且在外力作用下既表现出部分现出部分弹性弹性,又表现出部分又表现出部分黏滞性黏滞性的物体或分的物体或分散体系散体系，它的变形体现的性质称为它的变形体现的性质称为黏弹性黏弹性。实例实例 许多组成和结构复杂的许多组成和结构复杂的食品食品都具有黏都具有黏性和

15、弹性两种特性，是典型的性和弹性两种特性，是典型的黏弹性体黏弹性体。“黏弹性黏弹性”常用于描述固体物质，而常用于描述固体物质，而性质相似的液体常用性质相似的液体常用“弹黏性弹黏性”描述。描述。（2 2）蠕变蠕变 外力作用于静止的黏弹性体时，外力作用于静止的黏弹性体时，一一部分能量消耗于部分能量消耗于内摩擦内摩擦；另一部份能量作；另一部份能量作为为弹性贮存弹性贮存。外力作用于黏弹性体时，其外力作用于黏弹性体时，其形变形变过过程不能立即完成，而是程不能立即完成，而是随时间渐进发展，随时间渐进发展，最后达到最大形变最后达到最大形变，该过程称为，该过程称为蠕变蠕变。（3 3）应力松弛应力松弛 黏弹性体黏

16、弹性体受外力作用达到新平衡状态所受外力作用达到新平衡状态所需要的时间需要的时间称为称为应力松弛时间应力松弛时间，该过程称为，该过程称为松松弛过程弛过程。黏弹性体在外力作用下，体系内部也会黏弹性体在外力作用下，体系内部也会有应力产生，有应力产生，开始时应力很大，以后应力随时开始时应力很大，以后应力随时间逐渐减小间逐渐减小（松弛松弛），），该现象称为该现象称为应力松弛效应应力松弛效应。（4 4）黏弹性的分类黏弹性的分类黏弹性分为黏弹性分为线性黏弹性线性黏弹性和和非线性黏弹性非线性黏弹性两类。两类。（5 5）线性黏弹性的表征线性黏弹性的表征 线性黏弹性体可用线性黏弹性体可用Maxwell和和Kelv

17、in力学模型力学模型来模拟和分析其流变性。模来模拟和分析其流变性。模型中分别用理想的型中分别用理想的弹簧弹簧和和黏黏壶壶表示表示弹性体弹性体和和黏性体黏性体。线性黏弹性易于表征，应力与线性黏弹性易于表征，应力与应变之比应变之比（即剪切模量）（即剪切模量）仅与时间有仅与时间有关，与应力或应变大小无关。关，与应力或应变大小无关。非线性黏弹性的力学特性与时非线性黏弹性的力学特性与时间及应力有关间及应力有关，理论复杂理论复杂，表征较难表征较难。Maxwell模型模型中，弹簧体和黏壶串联，若中，弹簧体和黏壶串联，若施加于模型的应变速率恒定，即可得到模型中产施加于模型的应变速率恒定，即可得到模型中产生的应

18、力：生的应力：=(1(1e et t/t t)Kelvin模型模型中，弹簧体和黏壶并联，用同中，弹簧体和黏壶并联，用同样方法得到的模型中产生的应力为：样方法得到的模型中产生的应力为：=(=(G Gt t)模拟黏弹性体，表征其流变性，光靠单一模拟黏弹性体，表征其流变性，光靠单一的的Maxwell模型模型或或Kelvin模型模型都是不够的。都是不够的。G为弹性模量为弹性模量 t 为应力松为应力松弛时间弛时间。二、二、蠕变与恢复曲线蠕变与恢复曲线 （1 1）黏弹性流体的流黏弹性流体的流动与时间有密切关系，动与时间有密切关系，有有应力松弛时间应力松弛时间和和弹性弹性滞后时间滞后时间。（2 2）蠕变曲线

19、是蠕变曲线是表征表征黏弹性体的变形与时间黏弹性体的变形与时间关系的几何图形。关系的几何图形。三、三、力学模型力学模型 （1 1）力学模型力学模型 （2 2）力学拟合试验力学拟合试验它它用力学元件的组配代替黏弹性体进行力学用力学元件的组配代替黏弹性体进行力学试验试验，测得相关力学参数，得出力学方程，然后，测得相关力学参数，得出力学方程，然后验证符合性，若符合，说明某种或某类黏弹性体验证符合性，若符合，说明某种或某类黏弹性体可以用某力学模型表征。否则，要对力学模型进可以用某力学模型表征。否则，要对力学模型进行修正，重新进行力学试验。行修正，重新进行力学试验。（3 3）力学元件力学元件采用的力学元件

20、有采用的力学元件有虎克元件虎克元件、阻尼元件阻尼元件和和滑滑块元件块元件。是是研究复杂的黏弹性体流研究复杂的黏弹性体流变性所采用的理论模型变性所采用的理论模型，根据，根据测定对象不同，建立一些相关测定对象不同，建立一些相关的力学模型，使复杂问题简单的力学模型，使复杂问题简单化，并用以归纳出化，并用以归纳出数学规律数学规律。1.1.弹性变形体弹性变形体弹性变形体是在外力作用下，弹性变形体是在外力作用下，应力应力与应变与应变关系符合虎克定律关系符合虎克定律，应力去除后物体完全恢复，应力去除后物体完全恢复原状的物体。原状的物体。2.2.黏性变形体黏性变形体常用阻尼元件（理想黏壶）描述常用阻尼元件（理

21、想黏壶）描述NewtonNewton流体流体的应力与应变之间的关系的应力与应变之间的关系。黏性变形体的应变是黏性变形体的应变是逐渐发展的，与时间有关，存在力学滞后现象。逐渐发展的，与时间有关，存在力学滞后现象。它在应力去除后不能恢复原状。它在应力去除后不能恢复原状。应力应力、应变、应变及黏度及黏度 之间关系为：之间关系为：d=dt/d=dt/用虎克元件描述刚性用虎克元件描述刚性体的应力与应变关系：体的应力与应变关系：=/G G称为弹性模量。称为弹性模量。3.3.松弛变形体松弛变形体黏弹性体的黏弹性体的松弛变形用松弛变形用Maxwell模型表征模型表征。Maxwell模型模型由虎克元件和阻尼由虎

22、克元件和阻尼元件元件（盛有盛有Newton流体的黏壶）流体的黏壶）串联串联而成。而成。Maxwell模型受力分析模型受力分析 应力松弛过程的定量关系应力松弛过程的定量关系 =0exp(-t/tM)(tM=/G)该式是黏弹性体的力学方程，其特征力学该式是黏弹性体的力学方程，其特征力学参数是应力松弛时间参数是应力松弛时间tM。应力松弛时间应力松弛时间tM由黏度和弹性模量决定。由黏度和弹性模量决定。应力松弛过程反映了流体的黏性和弹性的存在。应力松弛过程反映了流体的黏性和弹性的存在。应力应力随时间随时间t t的增加而减小，的增加而减小，t t时，时，应力完全消失。应力完全消失。当当Maxwell模型模

23、型受到向下的拉应力作用时，在受到向下的拉应力作用时，在黏壶来不及反应时弹簧很快产生变形，此时体系处黏壶来不及反应时弹簧很快产生变形，此时体系处于应力不平衡状态，随着黏壶慢慢移动，弹簧应力于应力不平衡状态，随着黏壶慢慢移动，弹簧应力逐渐放松，直至应力完全消除，才达到平衡，完成逐渐放松，直至应力完全消除，才达到平衡，完成应力松弛全过程。应力松弛全过程。0 0为作用于为作用于Maxwell模型模型的初始应的初始应力，力，t是应力松弛达到平衡的时间，是应力松弛达到平衡的时间，为为平衡应力，平衡应力，tM为应力松弛时间。为应力松弛时间。Maxwell模型的局限性模型的局限性Maxwell模型模型可以描述

24、可以描述黏弹性体的应力松弛黏弹性体的应力松弛过程过程，不能描述其蠕变过程。，不能描述其蠕变过程。应力松弛变形体应力松弛变形体膏药、中成药丸、煮熟的汤圆、冷的黏米饭、膏药、中成药丸、煮熟的汤圆、冷的黏米饭、冷的稠粥及沥青、冷凝的原油、刚软化的石蜡等冷的稠粥及沥青、冷凝的原油、刚软化的石蜡等都属于都属于松弛变形体松弛变形体，该类物体，该类物体在外力作用时，短在外力作用时，短时间为弹性体，长时间为黏性体时间为弹性体，长时间为黏性体。食品的应力松弛特性与口感的关系食品的应力松弛特性与口感的关系 吃米饭时，口感吃米饭时，口感柔软柔软的米饭，其的米饭，其Maxwell模型模型的应力松弛时间是的应力松弛时间

25、是6s8s，口感，口感较硬较硬的米的米饭，应力松弛时间为饭，应力松弛时间为10s14s。感官试验评定出的米饭好吃顺序感官试验评定出的米饭好吃顺序与应力松与应力松弛时间有很强的相关性弛时间有很强的相关性。4.4.蠕变变形体蠕变变形体黏弹性体的蠕变变形用黏弹性体的蠕变变形用Kelvin模型表征模型表征。该模。该模型由虎克元件和阻尼元件并联而成。型由虎克元件和阻尼元件并联而成。Kelvin模型受力分析模型受力分析当当KelvinKelvin模型受到向下的拉应力作用，并保持模型受到向下的拉应力作用，并保持该应力一段时间时，应变逐渐发展，产生蠕变。该应力一段时间时，应变逐渐发展，产生蠕变。=01exp(

26、-t/tK)/G Kelvin模型的局限性模型的局限性Kelvin模型用于描述蠕变过程，但不能描述应模型用于描述蠕变过程，但不能描述应力松弛过程。力松弛过程。蠕变变形体实例蠕变变形体实例 生橡胶条受拉力时属于生橡胶条受拉力时属于蠕变变形体蠕变变形体。用蠕变曲线可表征米饭团食用品质用蠕变曲线可表征米饭团食用品质。米饭蠕米饭蠕变曲线所示的总变形、永久变形和流动性越大，弹变曲线所示的总变形、永久变形和流动性越大，弹性越小，越好吃。性越小，越好吃。根据根据蠕变曲线的形状蠕变曲线的形状可将大米分为软质米和可将大米分为软质米和硬质米两种硬质米两种（硬质米比软质米的弹性率、屈服应力和硬质米比软质米的弹性率、

27、屈服应力和塑性变形功大，黏着功小塑性变形功大，黏着功小）。5.5.四元素四元素(Burger)模型模型四元素模型表征的是四元素模型表征的是未交联的高分子变形未交联的高分子变形与与时间的关系，具有普遍规律。时间的关系，具有普遍规律。（1 1）变形的描述变形的描述 理想的弹簧变形理想的弹簧变形在物体上瞬间施加应力，即可产生的应变，在物体上瞬间施加应力，即可产生的应变，相当于图相当于图15-415-4中的中的oaoa段，描述高聚物由高分子的段，描述高聚物由高分子的键角和键长的变动所引起的变形键角和键长的变动所引起的变形。理想的黏壶理想的黏壶相当于相当于图图15-415-4中的中的bcbc段段，它，它

28、描述高分子之描述高分子之间，或链段之间的相互位移引起的间，或链段之间的相互位移引起的变形变形。Kelvin模型模型表示物体的表示物体的黏弹性黏弹性。若对物体施加应力并。若对物体施加应力并维持一段时间，黏性变形和弹性变形继续发展，维持一段时间，黏性变形和弹性变形继续发展，相当于相当于图图15-415-4中的中的abab段，描述因高分子链段的段，描述因高分子链段的伸展和卷曲表现出的黏弹性。伸展和卷曲表现出的黏弹性。（2 2）高分子变形过程的描述高分子变形过程的描述四元素模型可描述四元素模型可描述高分子变形过程高分子变形过程。不同。不同黏弹性体的蠕变曲线形状不同。黏弹性体的蠕变曲线形状不同。模型如图

29、模型如图15-815-8所示。所示。高聚物因分子中含有多种不同尺寸的运动高聚物因分子中含有多种不同尺寸的运动单元，分子量又呈分散性，故单元，分子量又呈分散性，故其黏弹性无法用单其黏弹性无法用单一模型描述一模型描述。描述高聚物须用多个模型串联或并联。描述高聚物须用多个模型串联或并联。实际应用时，要先进行实验，然后根据实实际应用时，要先进行实验，然后根据实验结果设计模型，再验证和修正模型。验结果设计模型，再验证和修正模型。（3 3）松弛频谱和滞后频谱松弛频谱和滞后频谱高聚物的高聚物的应力松弛时间或弹性滞后时间也是应力松弛时间或弹性滞后时间也是一个宽分布值一个宽分布值，分别称为，分别称为松弛频谱松弛

30、频谱和和滞后频谱滞后频谱。（4 4）黏弹性的测定黏弹性的测定测定流体的黏弹性常用测定流体的黏弹性常用旋转振动黏度计旋转振动黏度计。旋转黏度计的工作原理旋转黏度计的工作原理该黏度计是该黏度计是用弹簧将圆筒吊住，使它在测试用弹簧将圆筒吊住，使它在测试样中旋转，测定衰减率或周期样中旋转，测定衰减率或周期，进而求得流体的，进而求得流体的黏度黏度和和弹性系数弹性系数。三、三、黏弹性流体的两个特征黏弹性流体的两个特征1.1.Weissenberg效应效应（1 1）概念概念用玻璃棒搅动黏弹性流体，用玻璃棒搅动黏弹性流体，液体会沿玻璃棒往上爬，在棒液体会沿玻璃棒往上爬，在棒附近的流体呈圆丘状附近的流体呈圆丘状

31、。黏弹性流体的这种现象，黏弹性流体的这种现象，称为称为Weissenberg效应效应。（2 2）影响因素影响因素 流体沿棒爬的高度与搅动速率和流体流体沿棒爬的高度与搅动速率和流体的黏弹性的单因素及协同因素均有正相关关的黏弹性的单因素及协同因素均有正相关关系，即系，即搅动速率越快爬的越高搅动速率越快爬的越高，流体的黏弹流体的黏弹性越强爬的也越高性越强爬的也越高。若黏弹性既强搅动又快，则爬的比单若黏弹性既强搅动又快，则爬的比单因素影响时还要高。因素影响时还要高。（3 3）受力分析受力分析 在产生在产生Weissenberg效应的流动中，流效应的流动中，流体上爬要克服体上爬要克服自身重力自身重力和玻

32、璃棒作圆周运和玻璃棒作圆周运动产生的动产生的旋转离心力旋转离心力两种力。两种力。（4 4）产生原因产生原因流体在旋转的玻璃棒作用下流体在旋转的玻璃棒作用下，通过推通过推、爬爬、拉，产生拉，产生“爬杆现象爬杆现象”。（5 5）Newton流体的相反特征流体的相反特征 Newton流体在同样条件下流体在同样条件下被搅动时，呈现出被搅动时，呈现出与黏弹性流与黏弹性流体不同的流态，搅动棒附近的体不同的流态，搅动棒附近的流体呈漏斗形流体呈漏斗形凹陷凹陷。（6 6）实例及应用实例及应用 高分子浓溶液、蜂蜜、稀而软的面团或高分子浓溶液、蜂蜜、稀而软的面团或浓面粉的水分散体系浓面粉的水分散体系等都具有等都具有

33、Weissenberg效应。效应。该效应可该效应可判断液体食品的组织状态判断液体食品的组织状态。如炼乳陈放后，酪蛋白逐渐形成网络结如炼乳陈放后，酪蛋白逐渐形成网络结构后产生了弹性，表现出构后产生了弹性，表现出Weissenberg效应效应.2.2.曳丝性曳丝性 当有物体接触流体并从其表面离开时，当有物体接触流体并从其表面离开时，流体会被拉出丝来流体会被拉出丝来，这种现象称为，这种现象称为曳丝性曳丝性。曳丝性流体的特征曳丝性流体的特征具有曳丝性的流体，其具有曳丝性的流体，其分子间作用力分子间作用力较强较强，可形成弱的网络结构。，可形成弱的网络结构。曳丝性是曳丝性是流体黏性和弹性双重性质流体黏性和

34、弹性双重性质的的反映。反映。曳丝性流体的实例曳丝性流体的实例 有人工合成的高分子化合物有人工合成的高分子化合物，如浓的如浓的聚丙烯酰胺水溶液。聚丙烯酰胺水溶液。有天然高分子化合物有天然高分子化合物，如魔芋葡苷聚如魔芋葡苷聚糖、山药黏液质、鸡蛋清、蜂蜜、等糖、山药黏液质、鸡蛋清、蜂蜜、等。生物分泌物生物分泌物，如泥鳅、鲇鱼等皮肤分如泥鳅、鲇鱼等皮肤分泌物。泌物。发酵食品发酵食品，如豆豉（纳豆）。，如豆豉（纳豆）。注意事项注意事项 有些流体在用玻璃棒挑起时，也能出现有些流体在用玻璃棒挑起时，也能出现液丝，液丝，但不属于曳丝但不属于曳丝。如大豆油、熬过的蔗糖等如大豆油、熬过的蔗糖等。前者是由于前者是

35、由于黏性存在下落时产生的液流，后者是冷却结黏性存在下落时产生的液流，后者是冷却结晶产生的丝状物晶产生的丝状物（如拔丝食品的丝如拔丝食品的丝）。一、一、黏度概念黏度概念（1 1）黏度的概念黏度的概念所有流体在有相对运动时都要所有流体在有相对运动时都要产生内摩擦力产生内摩擦力，这是流体的一种固有物理属性，称为流体的这是流体的一种固有物理属性，称为流体的黏滞黏滞性或黏性性或黏性。黏度是分散体系流动时黏度是分散体系流动时内摩擦阻力大小的度内摩擦阻力大小的度量量（即当剪切应力作用于流体时，流体抗拒流动（即当剪切应力作用于流体时，流体抗拒流动的能力）。黏度的国际单位为的能力）。黏度的国际单位为Pas，常用

36、其导出，常用其导出单位单位mPas。（2 2）黏度反映的流体本质黏度反映的流体本质反映组成流体的物质内部结构及相互间作反映组成流体的物质内部结构及相互间作用力用力（或键力或键力）形式和强弱。形式和强弱。反映流体的流型反映流体的流型 反映力响应时间反映力响应时间 黏滞流动的几个要素黏滞流动的几个要素力力（应力与内应力应力与内应力）、形变、形变（流动流动）、流动方向、流动方向、力的作用力的作用（消失消失）时间。时间。二、黏度的表达式二、黏度的表达式注意事项注意事项（1 1）习惯上习惯上黏度的定义和表达式常由层流黏度的定义和表达式常由层流NewtonNewton流体导出流体导出，因为这样简单而直观，

37、但不是所因为这样简单而直观，但不是所有流体都是层流。有流体都是层流。（2 2）所有流体的运动所有流体的运动都存在黏度都存在黏度，有些流型有些流型的流体能总结出很强的规律，得到实用性方程；有的流体能总结出很强的规律，得到实用性方程；有的则不能，只能得到经验式或仪器测定数据。的则不能，只能得到经验式或仪器测定数据。（3 3）对于复杂流型的流体，黏度表达式也对于复杂流型的流体，黏度表达式也复复杂化和多样化杂化和多样化。三、三、流体黏度的影响因素流体黏度的影响因素 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

38、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)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)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

39、尺寸及剪切速率无关。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，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

40、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。分散相为液态球体分散相为液态球体 与刚性球体分散相的比较与刚性球体分散相的比较分散相为球形液滴分散相为球形液滴（如食品乳状液如食品乳状液）时，流时，流场中的液滴，在其表面流动的流体的剪切应力会场中的液滴，在其表面流动的流体的剪切应力会传递到液滴内部，使液滴内部的流体产生运动，传递到液滴内部，使液滴内部的流体产生运动，其结果导致液滴表面速率梯度小于同尺寸的刚性其结果导致液滴表面速率梯度小于同尺寸的刚性固体颗粒固体颗粒。液滴内的流体黏度越高，液滴性质越接近液滴内的流体黏度越高，液滴性质越接近于于刚性球刚性球（乳状液黏度越大乳状液黏度

41、越大）。特定条件下的黏度公式特定条件下的黏度公式 含有球形液滴的低分散相浓度的乳状液黏度含有球形液滴的低分散相浓度的乳状液黏度公式公式=01(02.5 drop)/(0 drop)含有较高黏度流体的液滴的黏度公式含有较高黏度流体的液滴的黏度公式 drop/01，接近于接近于2.52.5，悬浮液黏度：，悬浮液黏度：=0(12.5)对于含有低黏度流体的液滴（或气泡）的黏对于含有低黏度流体的液滴（或气泡）的黏度公式度公式 drop/01，1：=0 0(1(1)是液滴内流体黏度是液滴内流体黏度。该式假设条件该式假设条件为连续相和分散相均为为连续相和分散相均为Newton流体流体。乳状液食品的黏度乳状液

42、食品的黏度多数食品乳状液液滴被界面膜包裹，该膜阻碍多数食品乳状液液滴被界面膜包裹，该膜阻碍连续相向液滴内部传递切向应力，故液滴内的流体连续相向液滴内部传递切向应力，故液滴内的流体流动受到限制，致使多数食品乳状液的液滴与刚性流动受到限制，致使多数食品乳状液的液滴与刚性球相似，球相似，在低浓度下，其黏度可用在低浓度下，其黏度可用Einstein公式表公式表征征。当剪切应力充分大时，流体作用力将击破界当剪切应力充分大时，流体作用力将击破界面膜，使液滴分体、变形、破碎。这时，面膜，使液滴分体、变形、破碎。这时，流体将不流体将不只受剪切应力的简单作用只受剪切应力的简单作用，黏度将无法测定。，黏度将无法测

43、定。黏度对体积分数的依赖源于颗粒间的相互黏度对体积分数的依赖源于颗粒间的相互作用，作用，乳状液的黏度随分散相体积分数的增大而乳状液的黏度随分散相体积分数的增大而增大增大。在低浓度下，黏度随在低浓度下，黏度随线性增加，浓度至线性增加，浓度至一定程度时，黏度急剧增大。一定程度时，黏度急剧增大。当当大于分散相的临界体积分数大于分散相的临界体积分数cc时，液时，液滴将紧密地黏结在一起，相互间难发生滑移滴将紧密地黏结在一起，相互间难发生滑移，此此时乳状液黏度急剧升高，并形成具有弹性、黏性时乳状液黏度急剧升高，并形成具有弹性、黏性或塑性的凝胶态或塑性的凝胶态。理论上，通过改变分散相理论上，通过改变分散相体

44、积分数体积分数，即可即可控制食品乳状液的控制食品乳状液的流变性流变性，但实际生产中，但实际生产中，由于由于受到配料成本、营养品质、风味和货架期等因素受到配料成本、营养品质、风味和货架期等因素的限制，很少按此法控制乳状液流变性。的限制，很少按此法控制乳状液流变性。对于对于c的食品乳状液，常的食品乳状液，常通过添加增通过添加增稠剂和胶凝物质来调控流变性稠剂和胶凝物质来调控流变性。黄油黄油（或人造黄油或人造黄油）等油包水乳状液，其流等油包水乳状液，其流变性主要取决于油相中脂肪晶体变性主要取决于油相中脂肪晶体网络结构的流变网络结构的流变特性特性。绝大多数食品乳状液的流变性受分散相影绝大多数食品乳状液的

45、流变性受分散相影响很小，分散相一般被黏弹性较高的膜包裹，具响很小，分散相一般被黏弹性较高的膜包裹，具有有刚性球特性刚性球特性。将具有斥力作用的液滴分为将具有斥力作用的液滴分为“硬颗粒硬颗粒”和和“软颗粒软颗粒”两类。两类。a)a)硬硬颗粒是不可压缩的颗粒是不可压缩的，当乳状液中的液滴当乳状液中的液滴体积分数超过临界体积分数时，分散体系表现出体积分数超过临界体积分数时，分散体系表现出黏弹性或塑性。其流变特性常用动态剪切模量或黏弹性或塑性。其流变特性常用动态剪切模量或弹性模量、屈服应力和塑性黏度表示。弹性模量、屈服应力和塑性黏度表示。b)b)软颗粒可压缩软颗粒可压缩，其有效尺寸在高浓度、高，其有效

46、尺寸在高浓度、高剪切速率下可减小。剪切速率下可减小。c)c)由密实界面层的空间作用稳定的液滴，由密实界面层的空间作用稳定的液滴，因界面层很难压缩，因界面层很难压缩，亦被认为是亦被认为是硬颗粒硬颗粒。d)d)静电作用稳定的液滴或界面层静电作用稳定的液滴或界面层未闭合未闭合的空间作用稳定的液滴的空间作用稳定的液滴被认为是被认为是软颗粒软颗粒。e)e)在有效体积分数相同时在有效体积分数相同时，含软颗粒的含软颗粒的乳状液比含硬颗粒的乳状液黏度要低。乳状液比含硬颗粒的乳状液黏度要低。液滴间的斥力对乳状液流变性的影响液滴间的斥力对乳状液流变性的影响与液滴包裹层与液滴包裹层（即油即油-水界面膜水界面膜）厚度

47、厚度有关。有关。值又与液滴半径值又与液滴半径r r有关。有关。a)a)当当 r r时时（液滴较大液滴较大），斥力作用可忽斥力作用可忽略略；b)b)当当 r r时时（液滴较小或液滴有厚的包裹液滴较小或液滴有厚的包裹层层），斥力作用显著增大乳状液黏度斥力作用显著增大乳状液黏度。分散相为非球体分散相为非球体食品乳状液分散体系中，分散相颗粒食品乳状液分散体系中，分散相颗粒并非是球形的。并非是球形的。颗粒形状各异，有的接近长球体颗粒形状各异，有的接近长球体（棒棒状状）或圆片体或圆片体（盘状盘状）。长球体形状可用轴径长球体形状可用轴径比比J J表示：表示：J=a/bJ=a/b 如如絮凝液滴、絮凝液滴、部分

48、结晶颗粒、脂部分结晶颗粒、脂肪晶粒、冰晶和高肪晶粒、冰晶和高分子聚合物分子聚合物等。等。流体流过非球形颗粒比流过球形颗粒流体流过非球形颗粒比流过球形颗粒能量能量损耗大损耗大，黏度黏度增大增大，增幅大小取决于非球形颗粒增幅大小取决于非球形颗粒的转动情况和方向。的转动情况和方向。颗粒在流场中的运动方向由颗粒在流场中的运动方向由流体对颗粒的流体对颗粒的作用和颗粒自身的旋转作用和颗粒自身的旋转brownian运动决定运动决定。流体作用力流体作用力使颗粒顺其流场运动，降低流使颗粒顺其流场运动，降低流动阻力；动阻力；旋转旋转brownian运动运动是无规则的，是颗粒顺是无规则的，是颗粒顺应流场运动的阻碍，

49、增大流动阻力。应流场运动的阻碍，增大流动阻力。流体作用力与旋转流体作用力与旋转brownian运动力运动力之比用之比用PecletPeclet准数准数PePe表示。对于单纯的剪切流动：表示。对于单纯的剪切流动：Pe=/DR a)a)对于刚性球：对于刚性球：DR=kT/8 r3 b)b)对于圆盘体：对于圆盘体：DR=3kT/32 b3 c)c)对于棒状体：对于棒状体：DR=(ln2rp0.5)3kT/8 r3Peclet准数准数Pe与颗粒运动的关系与颗粒运动的关系 d)d)当当Pe1时，旋转时，旋转布氏布氏运动起主导作用，颗运动起主导作用，颗粒在流体中自由旋转。粒在流体中自由旋转。是剪切速率；是

50、剪切速率；DR是旋转是旋转brownian运运动扩散系数，其值与颗粒形状有关。动扩散系数，其值与颗粒形状有关。e)e)Pe 1 1时，流体作用力起主导作用，颗粒时，流体作用力起主导作用，颗粒顺应流场方向顺应流场方向，该现象在颗粒较大、剪切速率和该现象在颗粒较大、剪切速率和（或或）颗粒周围液体黏度高时可观察到。颗粒周围液体黏度高时可观察到。非球形颗粒悬浮液黏度非球形颗粒悬浮液黏度由剪切速率决定由剪切速率决定。a)a)低剪切速率下低剪切速率下（Pe 1 1），有恒定的高黏度，有恒定的高黏度，随着剪切速率增加，流体作用力开始起作用，随着剪切速率增加，流体作用力开始起作用，颗颗粒逐渐顺应流场方向，流体