第七章 流變學(xué)基礎(chǔ)

第七章流變學(xué)基礎(chǔ)第一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)概述一．流變學(xué)的基本概念流變學(xué)——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(xué)主要是研究物質(zhì)的變形和流動的一門科學(xué)。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。主要與固體的性質(zhì)相關(guān)。對固體施加外力，則固體內(nèi)部存在一種與外力相對抗的內(nèi)力使固體恢復(fù)原狀。此時在單位面積上存在的內(nèi)力稱為應(yīng)力（Stress）。第二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四由外部應(yīng)力而產(chǎn)生的固體的變形，如除去其應(yīng)力，則固體恢復(fù)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(xué)性質(zhì)，對這種現(xiàn)象進(jìn)行定量解析的學(xué)問稱為流變學(xué)。第三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四切變應(yīng)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（A）上施加的使各液層間產(chǎn)生相對運動的外力稱為剪切應(yīng)力，簡稱剪切力（shearigforce）,單位為N/m2，以S表示。2.剪切速度（rateofshear），單位為S-1，以D表示。第四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四第二節(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(yīng)力（S）與剪切速度（D）成正比。遵循該法則的液體為牛頓流體。

式中，η——粘度或粘度系數(shù)，是表示流體粘性的物理常數(shù)。單位為Pa·s，泊。1厘泊(1cP)=1毫帕斯卡.秒(1mPa.s)

100厘泊(100cP)=1泊(1P)

1帕斯卡.秒(1Pa.s)＝1000毫帕斯卡.秒(1000mPa.s)第五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四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。

第六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四根據(jù)公式得知牛頓液體的切變速度D與切變應(yīng)力S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

第七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四二．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D和剪切應(yīng)力S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(jìn)行測定。第八頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四（一）塑性流體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，得屈服值（yieldvalue）或降伏值。當(dāng)切變應(yīng)力增加至屈伏值時，液體開始流動，切變速度D和切變應(yīng)力S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(yīng)力為屈服值S0：

η——塑性粘度（plasticviscosity）；S0——屈伏值、致流值或降伏值，單位為dyne·㎝-2。

(b)塑性流動第九頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四塑性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖塑性流動的特點：不過原點；有屈伏值S0；當(dāng)切應(yīng)力S<S0時，形成向上彎曲的曲線；當(dāng)切應(yīng)力S>S0時，切變速度D和切應(yīng)力呈直線關(guān)系。在制劑中表現(xiàn)為塑性流動的劑型有濃度較高的乳劑和混懸劑。第十頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四（二）假塑性液體當(dāng)作用在物體上的剪切應(yīng)力大于某一值(S0)時物體開始流動，表觀黏度隨著剪切應(yīng)力的增大而減小，這種流體稱~特點：具有屈服值(S0)，剪切應(yīng)力超過S0值時才開始流動。剪切稀化如MC、CMC等大多數(shù)高高分子溶液第十一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四（三）脹性流體脹性流動曲線曲線經(jīng)過原點，且隨著切變應(yīng)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（dilatantflowcurve）。（d）脹性流動

脹性流體的流動公式：D=Sn/an<1，為脹性流體；當(dāng)n接近1時，流動接近牛頓流動。

第十二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四脹性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖

脹性流動的特點：沒屈服值；過原點；切應(yīng)速度很小時，液體流動速度較大，當(dāng)切應(yīng)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。

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50%淀粉混懸劑、糊劑等。第十三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四（四）假黏性流體隨著S值的增大粘度下降的流動現(xiàn)象稱為假黏性流動。

式中，ηa

——表觀粘度（apparentviscosity）。假黏性流動的特點：沒屈服值；過原點；切應(yīng)速度增大，形成向下彎的上升曲線，粘度下降，液體變稀。某些親水性高分子溶液深度較小時（1%左右）表現(xiàn)為假黏性流體。（c）假塑性流動

第十四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四第十五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四三、觸變性當(dāng)對普魯卡因、青霉素注射液或某種軟膏劑進(jìn)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(fù)原來的粘性。象這種隨著切變應(yīng)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(fù)到原來狀態(tài)的現(xiàn)象稱為觸變性（thixlotropy）。第十六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四產(chǎn)生觸變的原因：對流體施加切應(yīng)力后，破壞了液體內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)切應(yīng)力減小時，液體又重新恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)，恢復(fù)過程所需時間較長，因而上行線和下行線就不重合。塑性流體、假塑性流體、脹性流體、假黏性流體中多數(shù)具有觸變性。第十七