第十四章流變學基礎

1、第十四章第十四章 流變學基礎流變學基礎第一節(jié)第一節(jié) 概述概述流變學流變學(rheology)系指研究物體變形和流動的科系指研究物體變形和流動的科學，學，1929年由年由Bengham和和Crawford提出。提出。 物體的二重性：物體在外力作用下可觀察到變物體的二重性：物體在外力作用下可觀察到變形和流動現(xiàn)象。形和流動現(xiàn)象。 流變性：物體在外力作用下表流變性：物體在外力作用下表現(xiàn)出來的變形性和流動性。現(xiàn)出來的變形性和流動性。流動是液體和氣體的主要性質之一，流動的難流動是液體和氣體的主要性質之一，流動的難易程度與流體本身的粘性有關，因此流動可視易程度與流體本身的粘性有關，因此流動可視為一種非可逆性

2、變形過程。為一種非可逆性變形過程。一、流變學的基本概念一、流變學的基本概念（一）流變學研究內容（一）流變學研究內容 剪切應力與剪切速度是表征體系流變性剪切應力與剪切速度是表征體系流變性質的兩個基本參數。質的兩個基本參數。流體的層流速度不同，形成速度梯度，流體的層流速度不同，形成速度梯度，或稱或稱剪切速度剪切速度。速度梯度的產生是由于。速度梯度的產生是由于流動阻力的存在，流動較慢的液層阻滯流動阻力的存在，流動較慢的液層阻滯流動較快液層的運動。流動較快液層的運動。使各液層間產生相對運動的外力叫剪切使各液層間產生相對運動的外力叫剪切力，在單位液層面積（力，在單位液層面積（A）上所需施加的）上所需施加

3、的這種力稱為這種力稱為剪切應力剪切應力，簡稱剪切力。，簡稱剪切力。（二）剪切應力和剪切速度（二）剪切應力和剪切速度 二、流變學在藥劑學中的應用二、流變學在藥劑學中的應用流變學理論對乳劑、混懸劑、半固流變學理論對乳劑、混懸劑、半固體制劑等劑型設計、處方組成以及體制劑等劑型設計、處方組成以及制備、質量控制等研究具有重要意制備、質量控制等研究具有重要意義義。（一）流變學在混懸劑中的應用（一）流變學在混懸劑中的應用混懸劑靜止狀態(tài)時的剪切應力忽略不計混懸劑靜止狀態(tài)時的剪切應力忽略不計，但振搖后把制劑從容器中倒出時存在較但振搖后把制劑從容器中倒出時存在較大的剪切速度。大的剪切速度?；鞈覄┰谫A藏過程中若剪切

4、速度小，則混懸劑在貯藏過程中若剪切速度小，則顯示較高的粘性；若剪切速度大，則顯顯示較高的粘性；若剪切速度大，則顯示較低的粘性。示較低的粘性?；鞈覄┰谡駬u、倒出及鋪展時能自由流混懸劑在振搖、倒出及鋪展時能自由流動是形成理想的混懸劑的最佳條件動是形成理想的混懸劑的最佳條件。乳劑在制備和使用過程中經常會受到各乳劑在制備和使用過程中經常會受到各種剪切力的影響，大部分乳劑表現(xiàn)為非種剪切力的影響，大部分乳劑表現(xiàn)為非牛頓流動。牛頓流動。在使用和制備條件下乳劑的特性是否適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決定。體現(xiàn)在宜，主要由制劑的流動性決定。體現(xiàn)在乳劑鋪展性、通過性、適應性等方面。乳劑

5、鋪展性、通過性、適應性等方面。掌握制劑處方對乳劑流動性的影響非常掌握制劑處方對乳劑流動性的影響非常重要。重要。（二）流變學在乳劑中的應用（二）流變學在乳劑中的應用（三）流變學在半固體制劑中的應用（三）流變學在半固體制劑中的應用半固體制劑的處方組成發(fā)生變化時可改半固體制劑的處方組成發(fā)生變化時可改變其流變性質。變其流變性質。外界因素（如溫度等）也對半固體制劑外界因素（如溫度等）也對半固體制劑的流變性質有影響。的流變性質有影響。具有適宜的粘度是半固體制劑的處方設具有適宜的粘度是半固體制劑的處方設計和制備工藝過程優(yōu)化的關鍵。計和制備工藝過程優(yōu)化的關鍵。流變學在藥學中應用流變學在藥學中應用 液體液體 半

6、固體半固體 固體固體 制備工藝制備工藝a. 混合混合 皮膚表面上制劑的皮膚表面上制劑的 壓片或填充膠囊時壓片或填充膠囊時 裝量的生產能力裝量的生產能力 鋪展性和粘附性鋪展性和粘附性 粉體的流動粉體的流動 b. 由剪切引起的由剪切引起的 從瓶或管狀容器中從瓶或管狀容器中 粉末狀或顆粒狀粉末狀或顆粒狀 操作效率的提高操作效率的提高 分散系粒子的粉碎分散系粒子的粉碎 制劑的擠出制劑的擠出 固體充填性固體充填性c. 容器中的液體容器中的液體 與液體能夠混合的與液體能夠混合的的流出和流入的流出和流入 固體量固體量 d. 通過管道輸送通過管道輸送 從基質中藥物的釋放從基質中藥物的釋放液體的制劑過程液體的制

7、劑過程 e. 分散體系的物理分散體系的物理穩(wěn)定性穩(wěn)定性一、牛頓流動一、牛頓流動理想的液體服從理想的液體服從牛頓粘度法則牛頓粘度法則(1687年，牛頓年，牛頓定律，定律，Newtonian equation)， 即剪切應力即剪切應力S與與剪切速度剪切速度D成正比：成正比： S=F/A= D D為剪切速度，為剪切速度，S為剪切應力，為剪切應力，F(xiàn)為為A面積上施面積上施加的力，加的力， 為粘度或粘度系數為粘度或粘度系數單位單位Pas，1Pas=10P(泊泊)，流度，流度(fluidity)： =1/ ,即粘度即粘度的倒數。的倒數。 運動粘度：粘度運動粘度：粘度 與同溫度的密度與同溫度的密度 之比值之

8、比值( / ),再乘以再乘以106，單位，單位mm/s。第二節(jié)第二節(jié) 流變性質流變性質牛頓液體：服從牛頓定律的液體。牛頓液體：服從牛頓定律的液體。 牛頓液體的特點：牛頓液體的特點： 一般為低分子的純液體或稀溶液；一般為低分子的純液體或稀溶液； 在一定溫度下，牛頓液體的粘度在一定溫度下，牛頓液體的粘度 為常數，為常數，它只是溫度的函數，隨溫度升高而減小。它只是溫度的函數，隨溫度升高而減小。一、牛頓流動一、牛頓流動二、非牛頓流動二、非牛頓流動非牛頓液體非牛頓液體(nonNewtonian fluid):不符合牛不符合牛頓定律的液體，如乳劑、混懸劑、高分子頓定律的液體，如乳劑、混懸劑、高分子溶液、膠

9、體溶液、軟膏以及固溶液、膠體溶液、軟膏以及固液的不穩(wěn)液的不穩(wěn)定體系等。定體系等。 粘度曲線粘度曲線(viscosty curve)或流動曲線或流動曲線(flow curve):把切變速度把切變速度D隨切應力隨切應力S而變化的規(guī)而變化的規(guī)律繪制成的曲線。律繪制成的曲線。 流動方程式流動方程式(rheological equation):表示流動曲線形狀的數學關系式。表示流動曲線形狀的數學關系式。 按非牛頓液體流動曲線為類型可將非牛頓按非牛頓液體流動曲線為類型可將非牛頓液分為塑性流動、假塑性流動、脹性流動、液分為塑性流動、假塑性流動、脹性流動、觸變流動。觸變流動。 A-牛頓流體；牛頓流體； B-塑

10、性流體；塑性流體； C-假塑性流體；假塑性流體；D-脹性流體；脹性流體； E-觸變性流體觸變性流體( (一一) )塑性流動塑性流動(plastic flow)塑性流動：不過原點；有屈服值塑性流動：不過原點；有屈服值S0；當切應力；當切應力S S0時，剪切速度時，剪切速度D和剪切應力呈直線關系。和剪切應力呈直線關系。 塑性塑性(plastisity) 屈服值屈服值(yield value)：引起塑性：引起塑性液體流動的最低切應力液體流動的最低切應力S0 。 塑性粘度塑性粘度(plastic viscosity):塑性液體的粘度塑性液體的粘度 pl。 塑性液體的流動公式：塑性液體的流動公式：D=(

11、S- S0)/ pl D為切變速度，為切變速度，S為切應力，為切應力， S0 為屈服值，為屈服值， pl 為塑性粘度。為塑性粘度。 在制劑中表現(xiàn)為塑性流動的劑型有濃度較高的在制劑中表現(xiàn)為塑性流動的劑型有濃度較高的乳劑、混懸劑、單糖漿、涂劑。乳劑、混懸劑、單糖漿、涂劑。塑性流體的結構變化示意圖( (二二) )假塑性流動假塑性流動(pseudoplastic flow)假塑性流動：沒屈服值；過原點；剪切假塑性流動：沒屈服值；過原點；剪切速度增大，形成向下彎的上升曲線，粘速度增大，形成向下彎的上升曲線，粘度下降，液體變稀。度下降，液體變稀。假塑性液體的流動公式：假塑性液體的流動公式：D=Sn/ a

12、或或 log D=log 1/ a +nlog S D為剪切速度；為剪切速度；S為為剪切應力；剪切應力； a 為表觀粘度為表觀粘度(隨切變速度的隨切變速度的不同而不同）；不同而不同）；n1， a 隨隨S增加而增加。增加而增加。 在制劑中表現(xiàn)為假塑性流動的劑型有某在制劑中表現(xiàn)為假塑性流動的劑型有某些親水性高分子溶液及微粒分散體系處些親水性高分子溶液及微粒分散體系處于絮凝狀態(tài)的液體。于絮凝狀態(tài)的液體。假塑性流體的結構變化示意圖假塑性流體的結構變化示意圖( (三三) )脹性流動脹性流動(dilatant flow)脹性流動：沒屈服值；過原點；剪切速脹性流動：沒屈服值；過原點；剪切速度很小時，液體流動

13、速度較大，當剪切度很小時，液體流動速度較大，當剪切速度逐漸增加時，液體流動速度逐漸減速度逐漸增加時，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。增加，流動曲線向上彎曲。 在制劑中表現(xiàn)為脹性流動的劑型為含有在制劑中表現(xiàn)為脹性流動的劑型為含有大量固體微粒的高濃度混懸劑如大量固體微粒的高濃度混懸劑如50%淀淀粉混懸劑、糊劑等。粉混懸劑、糊劑等。脹性流體的結構變化示意圖脹性流體的結構變化示意圖( (四四) )觸變流動觸變流動(thixotropic flow)隨著剪切應力增大，粘度下降，剪切應力隨著剪切應力增大，粘度下降，剪切應力消除后

14、粘度在等溫條件下緩慢地恢復到原消除后粘度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。來狀態(tài)的現(xiàn)象稱為觸變性。產生觸變的原因：對流體施加剪切力后，產生觸變的原因：對流體施加剪切力后，破壞了液體內部的網狀結構，當剪切力減破壞了液體內部的網狀結構，當剪切力減小時，液體又重新恢復原有結構，恢復過小時，液體又重新恢復原有結構，恢復過程所需時間較長，因而觸變流動曲線中上程所需時間較長，因而觸變流動曲線中上行線和下行線就不重合。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觸變流動的特點：等溫的溶膠和凝膠的可逆轉換。逆轉換。 塑性流體、假塑性流體、脹性流塑性流體、假塑性流體、脹性流體中多數具有觸變性。體中多數具有觸變性。( (五五) )粘彈性粘彈性(viscoelasticity)高分子物質或分散體系具有高分子物質或分散體系具有粘性粘性(viscosity)和和彈性彈性(elasticity)雙重特性，稱之為雙重特性，稱之為粘彈性粘彈性(viscoelastici