《药剂学》课件-第十四章 流变学基础.ppt

第十四章 流变学基础 1粉体流动性的影响因素与改善方法有那些？影响因素：粒子的形状、大小、粒度分布、表面状态、密度、 空隙率、粒子间的粘着力、摩擦力、范德华力、静电力等改善方法：适当增加粒子大小、改善粒子形态、控制粒子湿度、加入适当的润滑剂、助流剂复习2•流变学研究范畴•研究切变应力与切变速度之间的关系，牛顿流体与非牛顿流体的特征，流变学理论对乳剂、混悬剂、半固体制剂等的剂型设计、处方组成、质量控制等进行评价•讨论流变学理论对于具有粘性与弹性双重特性的物体或分散体系的作用 内 容 纲 要3第一节 概述流变学（Rheology）来源于希腊的Rheos (Stream, 流动），由Bingham和Crawford为了表示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 门科学一、流变学的基本概念（一） 流变学研究内容4•变形主要与固体的性质相关对某一物体外加压力，其内部的各部分的形状和体积发生变化，称为变形•对固体施加外力，则固体内部存在一种与外力相对抗的内力使固体恢复原状此时在单位面积上存在的内力称为应力（Stress）5•由外部应力而产生的固体的变形，如除去其应力,则固体恢复原状，这种性质称为弹性。

这种可逆性变形称为弹性变形非可逆性变形称为塑性变形•流动表示液体和气体的性质流动的难易与物质的粘性有关，流动也视为一种非可逆性变形过程•某一种物质对外力表现为弹性和粘性双重特性（粘弹性）6河道中流水，水流方向一致，水流速度不同，中心处的水流最快因此在流速不太快时可以将流动着的液体视为互相平行移动的液层二） 切变应力与切变速率由于各层的速度不同，便形成速度梯度du/dy（切变速度），这是液体流动的基本特征 7•有速度梯度存在，流动较慢的液层阻滞着流动较快液层的运动，所以产生流动阻力为了使液层能维持一定的速度梯度运动，就必须对它施加一个与阻力相等的反向力•在单位液层面积（A）上所需施加的这种力称为切变应力，简称切变力（shearing force），以S表示速度梯度，以D表示切变应力与切变速度是表证体系流变性质的两个基本参数8•意义：可以应用流变学理论对乳剂、混悬剂、半固体制剂等的剂型设计、处方组成以及制备、质量控制等进行评价•如制备医用的膏剂、糊剂时必须调整适当的粘稠度和铺展性，才能使其制剂达到良好的重现性•物质的流变性可以分两类：一种为牛顿流变学，另一种为非牛顿流变学其决定因素在于物质的流变性是否遵循牛顿的流变学法则。

二、流变学在药剂学中的应用9•流变学理论影响混悬液中分散粒子沉降时的粘性及经过振荡，从容器中倒出混悬剂时的流变性质的变化因此，在制备混悬剂时考察流变学性质非常重要•混悬液在静止状态下所产生的切变应力，如果只考虑悬浮粒子的沉降，由于其存在的力很小，故可以忽略不计但是，经过振摇后把制剂从容器中倒出时可以观察到存在较大的切变速度 （一） 流变学在混悬剂中的应用10•混悬剂在贮藏过程中切变速度小，显示 较高的粘性，切变速度变大，显示较低 的粘性混悬剂在振摇、倒出及铺展时能否自由流动是形成理想的混悬剂的最佳条件处方组成：图14-2，用西黄蓍胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠，甘油做助悬剂的比较实验结果：甘油的粘性作为悬浮粒子的助悬剂较为理想 1112触变性物质在静置状态下形成凝胶，振摇后转变为液 状白皂土、膨润土、皂土和羧甲基纤维素钠混合物 的稠度曲线l白皂土具有非常显著的滞后曲线，膨润土具有较大的触变性，白皂土和CMC的混合液曲线，表现出假塑性流动和触变性双重性质13•在使用和制备条件下乳剂的特性是否适宜，主要由制剂的流动性而定•例如，皮肤科用的制剂必须调节和控制好制剂的伸展性•要使注射用乳剂容易通过针头，或使乳剂的特性适合于工业化生产工艺的需要，掌握制剂处方对乳剂流动性的影响非常重要。

二）流变学在乳剂中的应用14•大部分乳剂主要表现为非牛顿流动，不同制剂间进行定量比较非常困难在这里主要讨论与粘性相关的分散相、连续相、乳化剂•与分散相相关的几个因素主要有相的体积比，粒度分布，内相的粘度等•分散相体积比1)（三）胀性流动胀性流动曲线如 图14-8（d）所 示27曲线经过原点，且随着切变应力的增大其粘性也随之增大，胀性流动曲线(n<1) 滑石粉或淀粉等非凝聚性粒子处于密集型状态，其空隙被液体填充，切变应力较低时，对混悬液缓慢地进行搅拌，粒子排列并不发生紊乱的条件下，表现为较好的流动性但是，对混悬液快速进行搅拌，即切变应力较大时，由于其粒子形成疏松的填充状态，粒子空隙不能很好地吸收水份而形成块状集合体，增大粒子间的摩擦力，降低流体的流动性28当对普鲁卡因、青霉素注射液或某种软膏剂进行搅拌时，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这种随着切变应力的下降，其粘度下降的物质，剪切应力消除后，粘度在等温条件下缓慢地恢复到原来状态的现象称为触变性这种触变流动曲线如图14-8（e）所示其流动曲线的特性表现为切变应力的下降曲线与上升曲线相比向左迁移 三、 触变流动29触变性是施加应力使其流体产生流动时，流体的粘性下降，流动性增加；而停止流动时，其状态恢复到原来性质的现象。

环状滞后曲线与同一个S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立即恢复原状，而是存在一种时间差30•高分子物质或分散体系，具有粘性和弹性的双重特性，我们把这种性质称为粘弹性对于高分子物质施加一定的作用力，使其保持一定的伸展性时，应力随时间而减少，这种现象称为缓和应力•另外，对高分子物质附加重量，开始表现为一定的伸展性，但是，经过一定时间后，伸展性能变得很小，把这种现象称为蠕变性四、粘弹性31（一）麦克斯韦尔（Maxwell）模型如图所示，把弹簧（弹性率G）和缓冲器（粘 性率η）串联的模型称为Maxwell模型粘弹性，可以用弹性模型和粘性模型的的复合型模型加以表示主要有以下几种: 32对该模型施加应力S时，弹簧和缓冲器弯 曲程度用r1，r2来表示，则两者均遵循牛 顿定律，经推导可得关系式：τ=η/G，当弯曲保持一定值时，其应力 随时间的延长按指数函数关系减小，把这 种现象称为缓和应力 τ为缓和时间即应力值变为开始时的1/e所 需要的时间 3334图14-9（b），把弹簧和缓冲器并联的模型称为福 格特模型对福格特模型施加应力S时，作用于弹 簧和缓冲器的力分别为S1和S2：（二）福格特（Voigt）模型当施加一定的负 重时，即S=S0时35式中λ=η/G，上式表示在一定的负荷下弯曲所需时间的变化。

弯曲的程度随时间而增大，到了一定的时间后S0/G达到定值我们把这种在一定的应力作用下伸展随时间的变化称为蠕变(creep)现象， λ表示滞延时间，即达到全部变形量1/e位置所需要的时间 36•高分子物质的粘弹性现象非常复杂，因 此单纯用Maxwell模型或Voigt模型很难 解释清楚但是，如果把几个模型组合 在一起进行解释，则非常接近于实际的 粘弹性现象•图14-11表示的是Maxwell模型和Voigt 模型组合在一起的4个影响因素模型 结果说明，这种关系非常接近于实际高 分子材料的蠕变和恢复曲线现象 （三）双重粘弹性模型37•测定高分子液体的粘弹性或流变学性质，或测定线性粘弹性函数通过以下途径：1）根据样品产生微小应变r(t)测定所需的应力S(t)；2）根据样品 应力S(t)测定所产生的应变程度r(t)；3）根据剪切速度测定其应力S(t)具体测定方法 :第一种：静止测定法，即r0一定 时，施加应力S0第二种：转动测定法第三节 蠕变性质的测定方法38•对于胶体和高分子溶液的粘度如下式所示，其变化主要依赖于切变速度。

•对于牛顿流体可以用具有一定切变速度的粘度计进行测定但是，对于非牛顿流体必须用同时测得不同的切变速度的粘度计进行测定 （14-9）39•原理：是在装有一定温度试验液的垂直玻璃管内，使具有一定密度和直径的玻璃制或钢制的圆球自由落下，通过测定球落下时的速度，可以得到试验液的粘度•图14-12是Hoppler落球粘度计测定方法：将试验液装入到玻璃管内，外套恒温槽以保持一定的温度，将球位于玻璃管上端，然后准确地测定球经过上下两个标记线的时间，反复测数次，利用下式计算得到牛顿液体的粘度一、落球粘度计4041•旋转粘度计有双重圆筒型、圆锥圆板型和平行圆板型，测定原理为筒内装入试验液，然后用特制的旋转子进行旋转时，考察产生的弯曲现象，利用作用力求得产生的应力二、旋转粘度计42l旋转装量中回旋角Ω和弯曲程度r以及转矩M和应力S之间的关系如14-11式所示式中K1、K2—常数l双重圆筒型主要用于测定低粘度液体，平行圆板型用于测定高粘度液体 （14-11）43（a）型： K1=2πR12L （14-12）K2=（s2-1）/2s2 (14- 13)S=R2/R1（b）型： K1=2πR3/3 （14-14）K2=θ（c）型： K1=πR3/2 (14-15)K2=h/R图14-13各型旋转粘度计的计算公式如下：44•Ferranti-Shirley粘度计是圆锥平板粘度计 (cone and plate visometer)的一种。

装置 如图14-14所示三、圆锥平板粘度计45测定方法：将试验液放在平板的中央，然 后把平板推至上面的圆锥下部后对圆锥进 行旋转，使试验液在静止的平板和旋转的 圆锥之间产生切变，如图14-15所示 46切变速度用每分钟圆锥旋转的转速来表示，通过读取产生于圆锥的粘性引力，即切变应力的刻度可以得到切变应力，切变应力对切变速度作图，可以得到试验液的粘度•C－常数；T－转矩；V－圆锥的旋转速度 47如果试验液为塑性流动的流体，则其塑性粘度表 示为：屈服值用式 表示，式中，Tf：切变应力 轴上的转矩，Cf：装置固有的常数圆锥-平板粘度计与圆筒粘度计比较有以下优点：①整个试验液，其切变速度是相同的（保持定值），因此在测定过程中不产生栓塞；②对所测定的试验液的装样和取样非常容易；③保持恒定的温度，适用于微量试验液的测定， 重现性良好48四、制剂流变性的评价方法软膏、乳剂、雪花膏等半固体制剂的流变性质 ，主要用针入度计（penetrometer), 凝结拉力计 (curd tension)和伸展计(spresd meter)进行测定 针入度计主要用于测定软膏等制剂的硬度(稠度）。

原理：测定圆锥体尖的针头进入软膏体的距离，一般用0.01mm为一个单位合格的软膏制剂通常规定，其范围在200–240个单位49•凝结拉力计：主 要是利用与弹簧 相连的接触轴上 垂吊一定量的物 体，将试验液按 一定的速度上下 移动，使接触轴 浸入到试验液中 ，再通过记录仪 记录此时的切变 速度，并计算其 粘度50•伸展计：测 定的原理是 在平行板之 间装入试验 液，在一定 压力条件下 ，通过测定 试验液的扩 展速度来求 得试验液的 伸展性能。