食品的力學性質(zhì)

1食品的力學性質(zhì)2第一節(jié)概述一．流變學的基本概念流變——來源于希臘，由Bingham和Crawford為了表示液體的流動和固體的變形現(xiàn)象而提出來的概念。流變學主要是研究物質(zhì)的變形和流動的一門科學。變形：對某一物體外加壓力，其內(nèi)部的各部分的形狀和體積發(fā)生的變化。對物質(zhì)施加外力，則物質(zhì)內(nèi)部存在一種與外力相對抗的內(nèi)力使其恢復原狀。此時在單位面積上存在的內(nèi)力稱為應力（Stress）。3由外部應力而產(chǎn)生的變形，如除去其應力，則物質(zhì)恢復原狀，這種性質(zhì)稱為彈性（Elasticity）。把這種可逆性變形稱為彈性變形（elasticdeformati-on），而非可逆性變形稱為塑性變形（plasticdeformat-ion）。流動主要表示液體和氣體的性質(zhì)。流動的難易與物質(zhì)本身具有的性質(zhì)有關(guān)，把這種現(xiàn)象稱為粘性（Viscosity）。流動也視為一種非可逆性變形過程。實際上，某一種物質(zhì)對外力表現(xiàn)為彈性和粘性雙重特性（粘彈性）。這種性質(zhì)稱為流變學性質(zhì)，對這種現(xiàn)象進行定量解析的學問稱為流變學。4牛頓將粘度定義為所加應力與流動梯度的比例。StationaryPlateMoveablePlateA=Areacm2A=Areacm2X

=

DistanceF

=

Force(dynes)剪切力（ShearStress）剪切率(ShearRate)粘度*假定:

板的長度遠大于板的間距。流變學介紹

定義IRheologyintroductionI5切變應力與切變速率在流速不太快時，可將流動著的液體視為互相平行移動的液層叫層流（如下圖），由于各層的速度不同，便形成速度梯度du/dy，這是流動的基本特征。uy表征體系流變性質(zhì)的兩個基本參數(shù)：1.在單位液層面積上施加的使各液層間產(chǎn)生相對運動的外力稱為剪切應力，簡稱剪切力（shearigforce）,單位為N/m2，以表示。2.剪切速度（rateofshear），單位為S-1，以表示。6漆刷的速度Estimatethevelocityofthepaintbrush=50cm/sec油漆的厚度Estimatethethicknessofthelayerofpaintbeingapplied=y=0.01cm剪切率計算Calculateshearrate

=50cm/sec0.01cm =5,000sec-1Example:

刷油漆

Shearrateofapplyingpaintwithabrush:vy剪切率SHEARRATERANGE&

PRACTICALAPPLICATIONS7第二節(jié)流變性質(zhì)

一．牛頓流動牛頓粘度定律：純液體和多數(shù)低分子溶液在層流條件下的剪切應力（σ）與剪切速度（ε）成正比。遵循該法則的液體為牛頓流體。

式中，μ——粘度或粘度系數(shù)，是表示流體粘性的物理常數(shù)。單位為泊，1P=0.1N·S·m-2，SI單位中粘度用Pa·S或Kg/(m·s)表示。粘度系數(shù)除以密度ρ得的值ν（ν

=μ/ρ）為動力粘度（SI單位為㎡/S）。8下表中表示制劑研究中常用的各種液體在20℃條件下的粘度。

9根據(jù)公式得知牛頓液體的切變速度ε與切變應力σ之間如下圖所示，呈直線關(guān)系且直線經(jīng)過原點。

(a)牛頓流動

1010牛頓液體的特點：①一般為低分子的純液體或稀溶液；②在一定溫度下，牛頓液體的粘度為常數(shù)，它只是溫度的函數(shù)，隨溫度升高而減小。11二．非牛頓流動實際上大多數(shù)液體不符合牛頓粘度定律，如高分子溶液、膠體溶液、乳劑、混懸劑、軟膏以及固-液的不均勻體系的流動。把這種不遵循牛頓粘度定律的物質(zhì)稱為非牛頓流體，這種物質(zhì)的流動現(xiàn)象稱為非牛頓流動。非牛頓流體的剪切速度和剪切應力的變化規(guī)律，經(jīng)作圖后可得四種曲線的類型：塑性流動、假塑性流動、脹形流動、觸變流動。對于非牛頓流體可以用旋轉(zhuǎn)粘度計進行測定。1212流變曲線:以切變速率為縱坐標，切應力為橫坐標作圖，所得曲線為流變曲線或流動曲線。A-牛頓流體；B-塑性流體；C-假塑性流體；D-脹性流體；E-觸變性流體.13（一）塑性流動(plasticflow)塑性流動的流動曲線：曲線不經(jīng)過原點，在橫軸S軸上的某處有交點，得屈伏值（yieldvalue）或降伏值。當切變應力增加至屈伏值時，液體開始流動，切變速度和切變應力呈直線關(guān)系。液體的這種性質(zhì)稱為塑性流動。引起液體流動的最低剪切應力為屈伏值σ0：

μp——塑性粘度（plasticviscosity）；σ0——屈伏值、致流值或降伏值，單位為dyne·㎝-2。

(b)塑性流動1414塑性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖15塑性流動的特點：不過原點；有屈伏值σ0；當切應力σ

<σ0

時，形成向上彎曲的曲線；當切應力σ

>σ0

時，切變速度ε和切應力呈直線關(guān)系。塑性流動的特點16

冪率流體-假塑性(non-Newtonian-Pseudoplasticfluid)

-粘度隨剪切率升高而減小PerformanceofthePseudoplasticfluidmaterialwhichdisplaysadecreaseinviscositywithincreasingshearrate蛋黃醬、血液、番茄醬、果醬,蒸煮過的淀粉糊，纖維類溶液，乳液，有不少油墨，包括其它許多高分子溶液。1717假塑性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖18

冪率流體-脹性

(non-Newtonian-fluid)

脹性流體表現(xiàn)為粘度隨剪切率升高而增大

PerformanceoftheDilatantfluidmaterialwhichexhibitsanincreaseinviscosityasshearrateincreases面團，泥漿、粘土、糖制品、蜂蜜、高濃度淀粉溶液等。1919脹性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖20脹性流體的特點

脹性流動的特點：沒屈伏值；過原點；切應速度很小時，液體流動速度較大，當切應速度逐漸增加時，液體流動速度逐漸減小，液體對流動的阻力增加，表觀粘度增加，流動曲線向上彎曲。21（四）觸變流動(thixotropicflow)當對某溶液進行攪拌時，由于其粘度下降，故流體易于流動。但是，放置一段時間以后，又恢復原來的粘性。象這種隨著切變應力的下降，其粘度下降的物質(zhì)，即在等溫條件下緩慢地恢復到原來狀態(tài)的現(xiàn)象稱為觸變性（thixlotropy）。（e）觸變流動

22產(chǎn)生觸變的原因：對流體施加切應力后，破壞了液體內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當切應力減小時，液體又重新恢復原有結(jié)構(gòu)，恢復過程所需時間較長，因而上行線和下行線就不重合。觸變流動的特點：等溫的溶膠和凝膠的可逆轉(zhuǎn)換。塑性流體、假塑性流體、脹性流體中多數(shù)具有觸變性，它們分別稱為觸變性塑性液體、觸變性假塑性液體、觸變性脹性液體。23其流動曲線的特性表現(xiàn)為剪切應力的下降曲線，并與上升曲線相比向左遷移。在圖上表現(xiàn)為環(huán)狀滯后曲線。也就是說，用同一個σ值進行比較，曲線下降時粘度低，上升時被破壞的結(jié)構(gòu)并不因為應力的減少而立即恢復原狀，而是存在一種時間差。即所謂的觸變性是施加應力使其流體產(chǎn)生流動時，流體的流動性暫時性增加。觸變性的測定可以通過計算滯后環(huán)狀曲線所包圍的面積，推測由觸變流動而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的破壞和恢復原來狀態(tài)的程度。通過這種方法可以控制食品的特性和產(chǎn)品的質(zhì)量。24三.粘彈性(Viscoelasticity)高分子物質(zhì)或分散體系具有粘性(viscosity)和彈性(elasticity)雙重特性，稱之為粘彈性。

應力緩和(stressrelaxation)：物質(zhì)被施加一定的壓力而變形，并使其保持一定應力時，應力隨時間而減