黄原胶的假塑性流变特性及其数学模型构建

黄原胶的核心流变特性是典型假塑性（剪切变稀），即黏度随剪切速率升高而下降，数学模型以幂律模型为核心，辅以Herschel-Bulkley模型适配含屈服应力的体系，具体特性与模型构建如下：

一、假塑性流变特性的核心表现

1. 剪切速率与黏度的关系

低剪切速率（＜10s⁻1）：黄原胶分子链在水溶液中形成随机卷曲的三维网络，黏度极高（0.5% 浓度下可达 1000-5000mPa・s），体系呈凝胶状；

中剪切速率（10-100s⁻1）：剪切力破坏分子链网络，链段沿剪切方向取向，黏度快速下降，呈现明显“剪切变稀”；

高剪切速率（＞100s⁻1）：分子链完全取向，黏度趋于稳定（降至50-200mPa・s），不再随剪切速率大幅变化；

可逆性：剪切力撤销后，分子链重新卷曲形成网络，黏度快速恢复（恢复率＞95%），无明显滞后现象，适配搅拌、输送、食用等动态场景。

2. 影响假塑性的关键因素

浓度：浓度越高，分子链网络越致密，假塑性越显著（0.1%浓度下黏度变化幅度小，0.5%以上假塑性特征突出）；

温度：20-80℃范围内，假塑性规律稳定，仅黏度整体略有下降（80℃时黏度为25℃的70%-80%），高温下仍保持剪切变稀特性；

电解质：盐浓度（如NaCl）＜1 mol/L 时，假塑性无明显变化；高盐（＞1mol/L）会轻微削弱假塑性，黏度降幅缩小；

pH：pH3-11范围内，假塑性稳定，强酸（pH＜2）或强碱（pH＞12）会破坏分子结构，假塑性减弱。

二、数学模型构建与适配性

1. 幂律模型（核心模型，适配无屈服应力体系）

模型表达式：τ=Kγⁿ （τ 为剪切应力，K为稠度系数，γ为剪切速率，n为流动行为指数）

黄原胶体系适配：

流动行为指数n：0.2-0.4（n＜1是假塑性的数学特征，n越小假塑性越强）；

稠度系数K：随浓度升高而增大（0.3%浓度K≈500Pa・sⁿ，0.5%浓度 K≈1500Pa・sⁿ），反映体系基础黏度；

适用范围：剪切速率1-100 s⁻1，拟合度R2≥0.98，能精准描述黄原胶的剪切变稀规律，是工业应用中常用的模型。

2. Herschel-Bulkley 模型（适配含屈服应力体系）

模型表达式：τ=τ₀+Kγⁿ （τ₀为屈服应力，即启动流动所需的最小应力）

黄原胶体系适配：

屈服应力τ₀：低浓度（＜0.3%）时τ₀≈0，高浓度（＞0.5%）时τ₀为5-20Pa，反映分子链网络的强度；

适用场景：高浓度黄原胶体系（如凝胶、酱料），或含固体颗粒的复合体系，拟合度R2≥0.97，比幂律模型更贴合实际流动状态。

3. Cross 模型（适配宽剪切速率范围）

模型表达式：η=η∞+(η₀-η∞)/(1+(λγ)ᵃ) （η为表观黏度，η₀为零剪切黏度，η∞为无穷剪切黏度，λ 为特征时间常数，a为模型参数）

黄原胶体系适配：

可覆盖0.01-1000 s⁻1 宽剪切速率范围，能同时描述低剪切区的高黏度、中剪切区的快速降黏、高剪切区的黏度稳定阶段；

模型参数：η₀随浓度升高而增大，λ≈0.1-1 s，a≈1.5-2.5，拟合度R2≥0.99，适合精准流变学研究。

三、模型参数的影响规律与应用

1. 关键参数的调控

流动行为指数n：通过浓度调节（浓度越高n越小），或与其他胶体复配（如黄原胶+瓜尔胶，n 可降至0.2以下，假塑性增强）；

稠度系数 K：浓度每增加0.1%，K约提升2-3倍，也可通过升高温度降低K（每升高10℃，K下降10%-15%）；

屈服应力τ₀：仅高浓度下需考虑，通过控制浓度或添加电解质（高盐可降低τ₀）调节。

2. 工业应用适配

食品工业：酱料、饮料中用幂律模型（n=0.3-0.4，K=800-1200Pa・sⁿ），保证搅拌时黏度低（易加工）、静置时黏度高（防分层）；

日化领域：洗发水、牙膏用Herschel-Bulkley模型（τ₀=10-15Pa，n=0.3），实现“挤压时流动（克服 τ₀）、涂抹后稳定（高黏度）”；

石油开采：驱油剂用Cross模型，适配宽剪切速率范围，描述在地层不同流速下的黏度变化，优化驱油效率。

黄原胶的假塑性流变特性源于分子链网络的剪切破坏与可逆重组，数学模型以幂律模型为基础（工业应用）、Herschel-Bulkley 模型（含屈服应力体系）、Cross 模型（宽剪切范围）为补充，可根据应用场景选择适配模型。实际应用中，通过调节浓度、复配胶体、控制温度等方式调控模型参数，可实现对产品流变性能的精准设计，满足加工、储存、使用等多环节的需求。

本文来源于：河南华悦化工产品有限公司http://www.huayuepeiliao.com/