流變學基礎(chǔ)精品課件

1、流變學基礎(chǔ)第1頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學2第一節(jié) 概述 一流變學的基本概念 （一）流變學的研究內(nèi)容 (二）切變應力與切變速率 二、流變學在藥劑學中的應用 (一）在混懸劑中的應用 （二）在乳劑中的應用 （三）在半固體制劑中的應用一流變學的基本概念 （一）流變學的研究內(nèi)容流變學（Rheology）是研究物質(zhì) 的變形和流動的一門科學。第2頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學3變形是固體的性質(zhì)：某一固體受到外力時，其各部分的形狀和體積將發(fā)生變化，這就是變形。當除去外力時，固體具有恢復原狀的傾向性，我們

2、把這種恢復原狀的性質(zhì)稱為彈性（Elasticity）。（同時，把可逆性變形稱為彈性變形）。對固體施加外力時，固體內(nèi)部存在著一種與外力相對抗的內(nèi)力使固體恢復原狀，我們把這種單位面積上存在的內(nèi)力稱為應力（Stress）。第3頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學4流動是液體和氣體的性質(zhì)。流動的難易與液體和氣體本身具有的性質(zhì)有關(guān)，我們把這種性質(zhì)稱為粘性（Viscosity）。（流動也可視為一種非可逆性的變形過程）。實際上，某些物質(zhì)可以對外力表現(xiàn)出彈性和粘性雙重特性（簡稱為粘彈性），這也是流變學的重要性質(zhì)之一。第4頁，共52頁，2022年，5月20日，11點

3、15分，星期四2022/9/22藥劑學5(二）切變應力與切變速率觀察河中的流水：盡管水流方向一致，但水流速度卻不同，中心處的水流最快，靠近河岸水流較慢。因此，在流速不太快時，可以將流動著的液體視為互相平行移動的一個個液層（如圖13-1）；由于各層的速度是不同的，所以產(chǎn)生速度梯度du/dy，這是流動的基本特征。 圖13-1流動時形成速度梯度u u uy第5頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學6 因為有速度梯度存在，流動較慢的液層阻滯著流動較快液層的運動，所以產(chǎn)生流動阻力。為了使液層能維持一定的速度梯度運動，就必須對它施加一個與流動阻力相等的反向力，我

4、們把在單位液層面積（A）上所需施加的這種力稱為切變應力（簡稱切應力Shearing force，以S表示）,單位為N/m2。速度梯度（rate of shear）亦稱為切變速度，以D表示，單位為S-1， 。切變應力與切變速度是表征體系流變性質(zhì)的兩個基本參數(shù)。 第6頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學7二、流變學在藥劑學中的應用 流變學在藥學研究中的重要意義在于：可以應用流變學理論對混懸劑、乳劑、半固體制劑等的劑型設(shè)計、處方組成、制備工藝、質(zhì)量控制等進行研究與評價。 物質(zhì)的流動性可以分兩大類：一種為牛頓流動，另一種為非牛頓流動。第7頁，共52頁，20

5、22年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學8(一）流變學在混懸劑中的應用在混懸液中，流變學原理可用于討論：粘性對粒子沉降的影響，混懸液經(jīng)振蕩從容器中倒出時的流動性 的變化，混懸液應用于投藥部位時的伸（鋪）展 性 Mervine和Chase提出：良好的混懸劑在貯藏過程中切變速度很小，應顯示出較高的粘性；在應用時，切變速度變大，應顯示較低的粘性。即：混懸劑在振搖、倒出及鋪展時是否自由流動是形成理想混懸劑的最佳判別條件。第8頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學9 表現(xiàn)假塑性流動的西黃蓍膠、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉等物質(zhì)，具有上述性能

6、。圖13-2用甘油（牛頓流體）為對照組進行的實驗結(jié)果說明：甘油的粘性作為懸浮粒子的助懸劑也較為理想。第9頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學10 觸變性物質(zhì)在靜置狀態(tài)下可形成凝膠，經(jīng)振搖后轉(zhuǎn)變?yōu)橐籂睢?圖13-3表示的是皂土、CMC-Na以及二者混合物的稠度曲線（consistency curve）。圖中表示皂土具有非常顯著的滯后曲線，且在裝入膨潤土樣品的容器的翻轉(zhuǎn)試驗中發(fā)現(xiàn)，具有較大的觸變性。而皂土和CMC的混合分散液曲線，則表現(xiàn)出假塑性流動和觸變性雙重性質(zhì)。因此，可以通過調(diào)節(jié)分散液的混合比例，制成理想的混懸劑的基質(zhì)。 第10頁，共52頁，202

7、2年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學11（二）流變學在乳劑中的應用乳劑在制備和使用過程中往往會受到各種切變力的影響，在使用和制備條件下乳劑的特性是否適宜，主要由制劑的流動性而定。除了被稀釋成很稀的溶液以外，大部分乳劑主要表現(xiàn)為非牛頓流動。因此，對其數(shù)據(jù)的處理或不同系統(tǒng)以及各制劑間的定量比較非常困難。第11頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學12主要因素有：相的體積比、內(nèi)相固有的粘度、粒度分布等。如分散相（內(nèi)相）體積比較低時（0.05以下），其系統(tǒng)表現(xiàn)為牛頓流動；隨著體積比增加，系統(tǒng)的流動性下降，表現(xiàn)為假塑性流動。而體積比高

8、的時候，轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄粤鲃?。當體積比接近0.74時，產(chǎn)生相的轉(zhuǎn)移，粘度顯著增大。在同樣的平均粒徑條件下，粒度分布范圍廣的系統(tǒng)比粒度分布狹的系統(tǒng)粘度低。另外，乳化劑也是影響乳劑粘度的一個主要因素。 第12頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學13（三）流變學在半固體制劑中的應用 在制備軟膏劑和化妝品時，必須控制好非牛頓流體材料的濃度（稠度）。圖13-4表示的是乳劑性基質(zhì)，親水性凡士林或含有水分的親水性凡士林溶液的流動曲線2。當親水性凡士林中加入水時，致流值由520g下降到320g，同時，親水凡士林的塑性粘度和觸變性隨著水的加入而增大。 第13頁，共52頁，

9、2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學14 溫度對該軟膏基質(zhì)稠度的影響，可以利用經(jīng)過改進的旋轉(zhuǎn)粘度計進行測定，并對其現(xiàn)象加以解釋。 從圖13-5中可以看出，溫度對兩種基質(zhì)的影響是一樣的，而且，降伏點的溫度變化曲線也表現(xiàn)為同樣的性質(zhì)。第14頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學15 而對其觸變性而言，從圖13-6中可以看出溫度對兩種基質(zhì)的變化特性完全不同. 其原因主要是隨著溫度的升高凡士林的蠟狀骨架基質(zhì)產(chǎn)生崩解，另一方面，液體石蠟聚乙烯復合型軟膏基質(zhì)，通常在溫度發(fā)生變化的條件下能夠維持樹脂狀結(jié)構(gòu)。第15頁，共52頁，202

10、2年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學16國家教委“面向21世紀教學內(nèi)容與課程體系改革”教材藥劑學 第十三章 流變學基礎(chǔ) (第二節(jié))第16頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學17第二節(jié) 流變性質(zhì)一、牛頓流動 我們已經(jīng)知道：液體流動時，在液體內(nèi)形成速度梯度，故而產(chǎn)生流動阻力。切變應力S反映了此阻力大小，它與切變速度D有關(guān)。實驗證明: 純液體和多數(shù)低分子溶液在層流條件下的切變應力S與切變速度D成正比。 第17頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學18 上式即為著名的牛頓粘度定律，遵循該

11、定律的液體即為牛頓流體。這種流體的流動現(xiàn)象稱為牛頓流動。 式中:FA面積上施加的力；粘度或稱粘度系數(shù),是表示流體粘性的物理常數(shù)。粘度單位用泊（Poise）來表示，20水的粘度約為0.01泊(p)=1厘泊（cp)。（13-1）第18頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學19 表13-1中表示制劑研究中常用的各種液體在20條件下的粘度。 第19頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學20 根據(jù)式13-1可知：牛頓液體的切變速度D與切變應力S之間呈直線關(guān)系，且直線經(jīng)過原點，如圖13-7（a）所示 。圖13-7 各種

12、類型的液體流體流動曲線(a)牛頓流動曲線 （斜率k=1/）S增大時，斜率保持不變，即粘度保持不變。第20頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學21二非牛頓流動 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、軟膏等不均勻體系的流動均不遵循牛頓定律。我們把這種不遵循牛頓定律的液體稱為非牛頓流體，這種流體的流動現(xiàn)象稱為非牛頓流動。 按非牛頓液體的流動曲線類型的不同，可以把非牛頓液體分為塑性流動、假塑性流動、脹形流動、觸變流動。 第21頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學22（一）塑

13、性流動(plastic flow) 如圖13-7(b)所示，塑性流動的流動曲線不經(jīng)過原點,將曲線的直線部分外延至橫軸時,可與橫軸有一交點，在這個交點的切變應力值稱為屈伏值或致流值（記為S0 ）。(b)塑性流動（S0 致流值） （c）假塑性流動 S增大時，斜率k不斷增大，粘度不斷下降。SS0時，液體開始流動； S0實質(zhì)上是引起塑性液體流動的最低切變應力。第22頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學23 當S S0時，即切變應力S達不到屈伏值（致流值）時，液體將不發(fā)生流動，此時該物質(zhì)表現(xiàn)為彈性物質(zhì)的性質(zhì)。 當SS0時，即切變應力S增大到屈伏值（致流值）時

14、，液體將開始流動，切變速度D和切變應力S呈直線關(guān)系(此時以后,粘度保持不變)。液體的這種性質(zhì)稱為塑性。第23頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學24 塑性流體的流動公式可以用下式（13-2）表示： （13-2） 式中：塑性粘度（plastic viscosity）；S0屈伏值或致流值。 表現(xiàn)為塑性流動的制劑主要有濃度較高的乳劑、混懸劑、單糖漿、涂膜劑等。第24頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學25（二）假塑性流動（pseudoplastic flow）假塑性流動的流動曲線如圖13-7(c)所示。這種隨

15、著S值的增大，粘度下降的流動現(xiàn)象稱為假塑性流動，其流動公式（13-3）如下所示： (n1) 式中a 表觀粘度（apparent viscosity）如甲基纖維素、西黃蓍膠、海藻酸鈉等鏈狀高分子的1%水溶液表現(xiàn)為假塑性流動，其原因是：隨著S值的增大，這些高分子的長軸按流動方向有序排列，減少了對流動的阻力。切??！越切越??！第25頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學26（三）脹性流動 脹性流動曲線如圖13-9（d）所示，曲線經(jīng)過原點，且隨著切變應力的增大其粘性也隨之增大，表現(xiàn)為向上突起的曲線稱為脹性流動曲線（dilatant flow curve），它相

16、當于（13-3）式中n1時的情況。 圖13-9 脹性流動和觸變流動的示意圖 (n0時, 。在此條件上對上式進行計算得：式中=/G，式中當彎曲保持一定值時，其應力隨時間的延長按指數(shù)函數(shù)關(guān)系減小，把這種現(xiàn)象稱為緩沖應力(Stress relaxation),其結(jié)果如圖所示。圖13-11（a）中為緩沖時間(relaxation time),即應力值變?yōu)殚_始時的一半所需要的時間，換言之模型所固有的時間。 第30頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學31（二）福格特（Voigt）模型如圖13-10（b）所示，把彈簧的緩沖器并聯(lián)的模型稱為福格特模型。對福格特模型

17、施加應力S時，作用于彈簧和緩沖器的力S1和S2用下式表示： 由于 S= S1+S2，故 當施加一定的負重時，即S=S0時的關(guān)系式通過對上式積分得： 第31頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學32 式中，=/G。上式表示在一定的負荷下彎曲所需時間的變化。彎曲的程度隨時間而增大，到了一定的時間后S0/G達到定值。 我們把這種在一定的應力作用下彎曲時間的變化稱為蠕變(creep)現(xiàn)象，表示滯延時間(retardation time)，及全部變形量達到1/e位置所需要的時間。第32頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22

18、藥劑學33（a）Maxwell因素 （b）Voigt因素圖13-10 粘彈性的力學模型 第33頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學34 時間t 時間t （a） (b)圖13-11 Maxwell模型的緩沖應力（a）和Voigt模型的緩沖器第34頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學35（三）雙重粘彈性模型 在實際工作中高分子物質(zhì)的粘彈性現(xiàn)象非常復雜，因此單純用Maxwell模型或Voigt模型很難解釋清楚其現(xiàn)象。但是，如果把幾個模型組合在一起進行解釋，則非常接近于實際的粘彈性現(xiàn)象。 圖13-12表示的是M

19、axwell模型和Voigt模型組合在一起的4個影響因素模型。在t=0時，負荷一定的應力S，以及t=t1時減荷時的伸展系數(shù)r和時間t之間的關(guān)系。 結(jié)果說明，這種關(guān)系非常接近于實際高分子材料的蠕變和恢復曲線現(xiàn)象。第35頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學36 圖13-12 4因素模型及其粘彈性現(xiàn)象 第36頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學37（四）多重粘彈性模型圖13-13表示的是并聯(lián)具有1n緩沖時間的Maxwell模型，其相對應關(guān)系式如下所示： 兩邊除以r，設(shè)Er(t)=S/r, Ei=S0,i /r

20、時 式中，Er(t)緩沖彈性率；即 H() 緩沖時間的分布函數(shù)。H() 和的關(guān)系稱為緩沖范圍.對非結(jié)晶性高分子結(jié)構(gòu)的物理特性由該范圍可以得到。第37頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學38 圖13-13 圖13-14多重Maxwell模型圖 多重Voigt模型圖 第38頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學39圖13-14表示具有滯延時間1n時的多重排列的Voigt模型。其對應的關(guān)系式如下所示： 兩邊再除以S， 設(shè) Jc(t)=r/S, Ji=r,i/S，則 式中，Jc(t)蠕變伸縮率；L()滯延時間分布

21、函數(shù)；L() 的關(guān)系為滯延范圍。第39頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學40國家教委“面向21世紀教學內(nèi)容與課程體系改革”教材藥劑學 第十三章 流變學基礎(chǔ) (第三節(jié))第40頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學41第三節(jié) 流變性質(zhì)的測定方法測定高分子液體的粘彈性或流變學性質(zhì)，或測定線性粘彈性函數(shù)通過以下幾個途徑：1）測定對待測樣品施加微小彎曲作用r(t)時所產(chǎn)生的應力S(t)；2)測定對待測樣品施加應力S(t)時所產(chǎn)生的彎曲程度r(t)；3）施加彎曲速度測定其應力S(t)。 第41頁，共52頁，2022

22、年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學42具體測定方法有兩種:第一種方法是不隨時間變化的靜止測定法，即r0一定時，施加應力S0。第二種方法為轉(zhuǎn)動測定法。對于膠體和高分子溶液的粘度如下式所示，其變化主要依賴于切變速度。 式中，n(D)非牛頓流體的粘度。對于牛頓流體可以用具有一定切變速度的粘度計進行測定。但是，對于非牛頓流體必須用同時可以測得不同的切變速度的粘度計進行測定。 第42頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學43一、落球粘度計法 落球粘度計的原理是：在含有受試液的垂直玻璃管內(nèi)（在一定溫度下），使玻璃球或鋼球自由落下，由球的

23、落下速度和球的質(zhì)量即可求得受試液的粘度（見右圖13-15）。 圖13-15 Hoeppler落球粘度計第43頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學44測定方法是將試驗液和圓球裝入到玻璃管內(nèi)，外圍的恒溫槽內(nèi)注入循環(huán)水保持一定的溫度，使球位于玻璃管上端，然后準確地測定球經(jīng)過上下兩個標記線的時間，反復測數(shù)次，利用下式計算得到牛頓液體的粘度。 式中，t球落下時經(jīng)過兩個標記線所需時間（sec）；Sb、Sf在測定溫度條件下球和液體的比重；B球本身固有的常數(shù)。 第44頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學45二.旋轉(zhuǎn)粘度

24、計法 旋轉(zhuǎn)粘度計有雙重圓筒形、圓錐圓板型和平行圓板型三種7。如圖13-16所示，測定原理為筒內(nèi)裝入試驗液，然后用特制的旋轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)時，考察產(chǎn)生的彎曲現(xiàn)象，利用作用力求得產(chǎn)生的應力。旋轉(zhuǎn)裝量中回旋角和彎曲程度r以及轉(zhuǎn)矩M和應力S之間的關(guān)系如下式所示。 式中，K1、K2常數(shù)。設(shè)為旋轉(zhuǎn)速度，即切變速度。雙重圓筒型主要用于測定低粘度液體，平行圓板型用于測定高粘度液體。第45頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學46(a)雙重圓筒型 (b)圓錐圓板形 (c)平行圓板型 圖13-16旋轉(zhuǎn)粘度計工作原理示意圖 第46頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學47圖13-16各型旋轉(zhuǎn)粘度計計算公式如下：（a）型： （b）型： （c）型：第47頁，共52頁，2022年，5月20日，11點15分，星期四2022/9/22藥劑學48三.圓錐平板粘度計法 Ferranti-Shirley粘度計為圓錐平板粘度計的一種類型。Ferranti-Shirley圓錐平板粘度計的裝置如下圖所示1。測定方法為將試驗液放在平板的中央，然后把平板推至上面的圓錐下部，使試驗液在靜止的平板和旋