第四章食品的力学性质流变学基础

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1、第四章第四章 食品的力学性质食品的力学性质-流变学基础流变学基础第一节第一节 概概 述述第二节第二节 流变性质流变性质第一节第一节 概概 述述一流变学的基本概念一流变学的基本概念 流变流变来源于希腊，由来源于希腊，由BinghamBingham和和CrawfordCrawford为了表示为了表示液体的流动和固体的变形现象而提出来的概念。液体的流动和固体的变形现象而提出来的概念。流变学主要是研究物质的变形和流动的一门科学。流变学主要是研究物质的变形和流动的一门科学。变形：变形：对某一物体外加压力，其内部的各部分的形状和对某一物体外加压力，其内部的各部分的形状和体积发生的变化。体积发生的变化。对物

2、质施加外力，则物质内部存在一种与外力相对抗的对物质施加外力，则物质内部存在一种与外力相对抗的内力使其恢复原状。此时在单位面积上存在的内力称为内力使其恢复原状。此时在单位面积上存在的内力称为应应力（力（StressStress）。）。由外部应力而产生的变形，如除去其应力，则物质恢复由外部应力而产生的变形，如除去其应力，则物质恢复原状，这种性质称为原状，这种性质称为弹性（弹性（ElasticityElasticity）。把这种可逆性变形称为把这种可逆性变形称为弹性变形（弹性变形（elastic elastic deformatideformati-onon），），而非而非可逆性变形称为可逆性变形称

3、为塑性变形（塑性变形（plastic plastic deformatdeformat-ionion）。）。流动主要表示液体和气体的性质。流动的难易与物质本流动主要表示液体和气体的性质。流动的难易与物质本身具有的性质有关，把这种现象称为身具有的性质有关，把这种现象称为粘性（粘性（ViscosityViscosity）。）。流动也视为一种非可逆性变形过程。流动也视为一种非可逆性变形过程。实际上，某一种物质对外力表现为弹性和粘性双重特性实际上，某一种物质对外力表现为弹性和粘性双重特性（粘弹性）。这种性质称为（粘弹性）。这种性质称为流变学性质流变学性质，对这种现象进行，对这种现象进行定量解析的学问称

4、为定量解析的学问称为流变学流变学。牛顿将粘度定义为所加应力与流动梯度的比例。牛顿将粘度定义为所加应力与流动梯度的比例。Stationary PlateMoveable PlateA=Area cm2A=Area cm2X=DistanceF=Force(dynes)剪切力（剪切力（Shear Stress）剪切率剪切率(Shear Rate)粘度粘度*假定假定:板的长度远大于板的间距。板的长度远大于板的间距。流变学介绍流变学介绍 定义定义I Rheology introduction I 切变应力与切变速率切变应力与切变速率 在流速不太快时，可将流动着的液体视为互相平行移动在流速不太快时，可将

5、流动着的液体视为互相平行移动的液层叫的液层叫层流（层流（如下图），由于各层的速度不同，便形成如下图），由于各层的速度不同，便形成速度梯度速度梯度du/dydu/dy，这是流动的基本特征。这是流动的基本特征。u uy y表征体系流变性质的两个基本参数：表征体系流变性质的两个基本参数：1.1.在单位液层面积上施加的使各在单位液层面积上施加的使各液层间产生相对运动的外力称为液层间产生相对运动的外力称为剪剪切应力切应力，简称，简称剪切力剪切力（shearisheari g g forceforce）,单位为单位为N/mN/m2 2，以以 表示。表示。2.2.剪切速度剪切速度（rate of shear

6、rate of shear），），单位为单位为S S-1-1，以以 表示。表示。漆刷的速度漆刷的速度Estimate the velocity of the paint brush=50 cm/sec油漆的厚度油漆的厚度Estimate the thickness of the layer of paint being applied=y=0.01 cm剪切率计算剪切率计算Calculate shear rate=50 cm/sec0.01cm=5,000 sec-1Example:刷油漆刷油漆 Shear rate of applying paint with a brush:vy剪切率剪切

7、率SHEAR RATE RANGE&PRACTICAL APPLICATIONS第二节第二节 流变性质流变性质一牛顿流动一牛顿流动牛顿粘度定律：纯液体和多数低分子溶液在层流条件下牛顿粘度定律：纯液体和多数低分子溶液在层流条件下的剪切应力（的剪切应力（）与剪切速度（）与剪切速度（）成正比。遵循该法则）成正比。遵循该法则的液体为牛顿流体。的液体为牛顿流体。式中，式中，粘度或粘度系数粘度或粘度系数，是表示流体粘性的物理是表示流体粘性的物理常数。单位为泊，常数。单位为泊，1 1P=0.1NP=0.1NS S m m-2-2，SISI单位中粘度用单位中粘度用PaPaS S或或 Kg/(Kg/(m ms

8、s)表示。表示。粘度系数除以密度粘度系数除以密度得的值得的值（=/）为为动力粘度动力粘度（SISI单位为单位为/S S）。）。1或AF 下表中表示制剂研究中常用的各种液体在下表中表示制剂研究中常用的各种液体在2020条件条件下的粘度。下的粘度。根据公式得知牛顿液体的切变速度根据公式得知牛顿液体的切变速度与切变应与切变应力力之间如下图所示，呈直线关系且直线经过原点。之间如下图所示，呈直线关系且直线经过原点。(a)a)牛顿流动牛顿流动 10牛顿液体的特点：牛顿液体的特点：一般为低分子的纯液体或稀溶液；一般为低分子的纯液体或稀溶液；在一定温度下，牛顿液体的粘度为常数，它只是温度在一定温度下，牛顿液体

9、的粘度为常数，它只是温度的函数，随温度升高而减小。的函数，随温度升高而减小。二非牛顿流动二非牛顿流动u 实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律，如高分子溶液实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律，如高分子溶液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固-液的不均匀体液的不均匀体系的流动。把这种系的流动。把这种不遵循牛顿粘度定律的不遵循牛顿粘度定律的物质称为物质称为非牛顿非牛顿流体流体，这种物质的流动现象称为这种物质的流动现象称为非牛顿流动非牛顿流动。u 非牛顿流体的剪非牛顿流体的剪切速度和剪切应力的变化规律，经作图切速度和剪切应力的变化规律，经作图后可得后可得四种曲线的类型

10、：四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、胀形流塑性流动、假塑性流动、胀形流动、触变流动动、触变流动。u 对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。12流变曲线流变曲线:以切变速率为纵坐标，切应力为横坐标作以切变速率为纵坐标，切应力为横坐标作图，所得曲线为流变曲线或流动曲线。图，所得曲线为流变曲线或流动曲线。A-A-牛顿流体；牛顿流体；B-B-塑性流体；塑性流体；C-C-假塑性流体；假塑性流体；D-D-胀性流体；胀性流体；E-E-触变性流体触变性流体.（一）塑性流动（一）塑性流动(plastic flow)plastic flow)塑性流动的流动曲线：曲线不

11、经过原点，在横轴塑性流动的流动曲线：曲线不经过原点，在横轴S S轴上轴上的某处有交点，得屈伏值（的某处有交点，得屈伏值（yield valueyield value）或降伏值）或降伏值。当切变应力增加至屈伏值时，液体开始流动，切变速度当切变应力增加至屈伏值时，液体开始流动，切变速度和切变应力呈直线关系。液体的这种性质称为和切变应力呈直线关系。液体的这种性质称为塑性流动塑性流动。引起液体流动的最低剪切应力为引起液体流动的最低剪切应力为屈伏值屈伏值0 0：p p塑性粘度（塑性粘度（plastic viscosityplastic viscosity）；）；0 0屈伏值、致流值或屈伏值、致流值或降伏

12、值，单位为降伏值，单位为dynedyne-2-2。(b)b)塑性流动塑性流动p014塑性流体的结构变化示意图塑性流体的结构变化示意图v塑性流动的特点：不过原点；有屈伏值塑性流动的特点：不过原点；有屈伏值0 0；当切应力当切应力 0 0 时，切变速度时，切变速度和和切应力呈直线关系。切应力呈直线关系。塑性流动的特点塑性流动的特点 幂率流体幂率流体-假塑性假塑性(non-Newtonian-Pseudoplastic fluid)-粘度随剪切率升高而减小粘度随剪切率升高而减小Performance of the Pseudoplastic fluid material which displays

13、 a decrease in viscosity with increasing shear rate蛋黄酱、血液、番茄酱、果酱蛋黄酱、血液、番茄酱、果酱,蒸煮过的淀粉糊，纤维类溶液，乳液，有蒸煮过的淀粉糊，纤维类溶液，乳液，有不少油墨，包括其它许多高分子溶液。不少油墨，包括其它许多高分子溶液。17假塑性流体的结构变化示意图假塑性流体的结构变化示意图 幂率流体幂率流体-胀性胀性(non-Newtonian-fluid)胀性流体表现为粘度随剪切率升高而增大胀性流体表现为粘度随剪切率升高而增大Performance of the Dilatant fluid material which exhi

14、bits an increase in viscosity as shear rate increases面团，泥浆、粘土、糖制品、蜂蜜、高浓度淀粉溶液等。面团，泥浆、粘土、糖制品、蜂蜜、高浓度淀粉溶液等。19胀性流体的结构变化示意图胀性流体的结构变化示意图胀性流体的特点胀性流体的特点 胀性流动的特点：胀性流动的特点：没屈伏值；过原点；切应速度很小时，没屈伏值；过原点；切应速度很小时，液体流动速度较大，当切应速度逐渐增加时，液体流动速度液体流动速度较大，当切应速度逐渐增加时，液体流动速度逐渐减小，液体对流动的阻力增加，表观粘度增加，流动曲逐渐减小，液体对流动的阻力增加，表观粘度增加，流动曲线向

15、上弯曲。线向上弯曲。（四）触变流动（四）触变流动(thixotropicthixotropic flow)flow)当对某溶液进行搅拌时，由于其粘度下降，故流体易于当对某溶液进行搅拌时，由于其粘度下降，故流体易于流动。但是，放置一段时间以后，又恢复原来的粘性。象流动。但是，放置一段时间以后，又恢复原来的粘性。象这种随着切变应力的下降，其粘度下降的物质，即在等温这种随着切变应力的下降，其粘度下降的物质，即在等温条件下缓慢地恢复到原来状态的现象称为条件下缓慢地恢复到原来状态的现象称为触变性（触变性（thixlotropythixlotropy）。）。（e e）触变流动触变流动 产生触变的原因：产生

16、触变的原因：对流体施加切应力后，破坏了液体内对流体施加切应力后，破坏了液体内部的网状结构，当切应力减小时，液体又重新恢复原有部的网状结构，当切应力减小时，液体又重新恢复原有结构，恢复过程所需时间较长，因而上行线和下行线就结构，恢复过程所需时间较长，因而上行线和下行线就不重合。不重合。触变流动的特点：触变流动的特点：等温的溶胶和凝胶的可逆转换。等温的溶胶和凝胶的可逆转换。塑性流体、假塑性流体、胀性流体中多数具有触变性，塑性流体、假塑性流体、胀性流体中多数具有触变性，它们分别称为触变性塑性液体、触变性假塑性液体、触它们分别称为触变性塑性液体、触变性假塑性液体、触变性胀性液体变性胀性液体。其流动曲线

17、的特性表现为剪切应力的下降曲线，并其流动曲线的特性表现为剪切应力的下降曲线，并与上升曲线相比向左迁移。在图上表现为环状滞后曲与上升曲线相比向左迁移。在图上表现为环状滞后曲线。也就是说，用同一个线。也就是说，用同一个值进行比较，曲线下降时值进行比较，曲线下降时粘度低，上升时被破坏的结构并不因为应力的减少而粘度低，上升时被破坏的结构并不因为应力的减少而立即恢复原状，而是存在一种时间差。即所谓的触变立即恢复原状，而是存在一种时间差。即所谓的触变性是施加应力使其流体产生流动时，流体的流动性暂性是施加应力使其流体产生流动时，流体的流动性暂时性增加。时性增加。触变性的测定可以通过计算滞后环状曲线所包围的触

18、变性的测定可以通过计算滞后环状曲线所包围的面积，推测由触变流动而产生的结构的破坏和恢复原面积，推测由触变流动而产生的结构的破坏和恢复原来状态的程度。通过这种方法可以控制食品的特性和来状态的程度。通过这种方法可以控制食品的特性和产品的质量。产品的质量。三三.粘弹性粘弹性(ViscoelasticityViscoelasticity)高分子物质或分散体系具有高分子物质或分散体系具有粘性粘性(viscosity)viscosity)和和弹性弹性(elasticity)elasticity)双重特性，称之为双重特性，称之为粘弹性粘弹性。应力缓和应力缓和(stress relaxation)stress

19、 relaxation)：物质被施加一定的压物质被施加一定的压力而变形，并使其保持一定应力时，应力随时间而减少，力而变形，并使其保持一定应力时，应力随时间而减少，此现象称为应力缓和。此现象称为应力缓和。蠕变性蠕变性(creep)creep)：对物质附加一定的重量时，表现为一对物质附加一定的重量时，表现为一定的伸展性或形变，而且随时间变化，此现象称为蠕变性。定的伸展性或形变，而且随时间变化，此现象称为蠕变性。对于这种粘弹性，我们用弹性模型化的弹簧和把对于这种粘弹性，我们用弹性模型化的弹簧和把粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示：粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示：（一）麦克斯韦尔（一）麦克斯韦尔（MaxwellMaxwell）模型模型（二）福格特（二）福格特（VoigtVoigt）模型模型（三）双重粘弹性模型（三）双重粘弹性模型（四）多重粘弹性模型（四）多重粘弹性模型