藥劑第十四章流變學(xué)基礎(chǔ)

藥劑課件第十四章流變學(xué)基礎(chǔ)第1頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)

概述一、流變學(xué)的基本概念（一）流變學(xué)研究內(nèi)容流變學(xué)——Rheology來源于希臘的Rheos=Sream（流動）詞語，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)。第2頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月

變形主要與固體的性質(zhì)相關(guān)。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)生變化，即所謂的變形。 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)力稱為內(nèi)應(yīng)力（Stress）。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。非可逆性變形稱為塑形變形。第3頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月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)象稱為黏性（Viscosity）。流動也視為一種非可逆性變形過程。實(shí)際上，某一種物質(zhì)對外力表現(xiàn)為彈性和黏性雙重特性（黏彈性）。第4頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月(二）剪切應(yīng)力與剪切速率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液層如圖，由于各層的速度不同，便形成速度梯度du/dy（剪切速度），這是流動的基本特征。第5頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月因?yàn)橛兴俣忍荻却嬖?，流動較慢的液層阻滯著流動較快液層的運(yùn)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(yùn)動，就必須對它施加一個與阻力相等的反向力，在單位液層面積（A）上所需施加的這種力稱為剪切應(yīng)力，簡稱剪切力（shearingforce）,單位為N/m2，以S表示。剪切速度（rateofshear），單位為S-1，以D表示。剪切力與剪切速度是表征體系流變性質(zhì)的兩個基本參數(shù)。

第6頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月(一）流變學(xué)在混懸劑中的應(yīng)用流變學(xué)可應(yīng)用于討論影響混懸液中分散粒子沉降時的黏性及經(jīng)過振蕩從容器中倒出混懸劑時的流變性質(zhì)的變化。同時也可以應(yīng)用于用藥部位的洗劑的伸展性能等方面?；鞈乙涸陟o止?fàn)顟B(tài)下所產(chǎn)生的切變應(yīng)力，如果只考慮懸浮粒子的沉降，由于其存在的力很小，故可以忽略不計。但是，經(jīng)過振搖后把制劑從容器中倒出時可以觀察到存在較大的切變速度?；鞈覄┰谡駬u、倒出及鋪展時能否自由移動是形成理想混懸劑的最佳條件。二、流變學(xué)在藥劑學(xué)中的應(yīng)用第7頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）流變學(xué)在乳劑中的應(yīng)用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。乳劑中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。

如果，體積比接近0.74時產(chǎn)生相的轉(zhuǎn)移，黏度顯著增大。而且，平均粒子徑變小，黏度增大，同時，在同樣的平均粒子徑條件下，粒度分布范圍廣的系統(tǒng)比粒度分布狹的系統(tǒng)黏度低。影響乳劑黏度的還有一個主要因素為乳化劑。

膜的物理學(xué)特性和電學(xué)性質(zhì)也是影響乳劑黏性的重要因素之一。第8頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）流變學(xué)在半固體制劑中的應(yīng)用在制備軟膏劑和化妝品用雪花膏時，必須控制好非牛頓流體材料的濃度（稠度）。圖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。當(dāng)親水性凡士林中加入水，屈服點(diǎn)（下降曲線延伸與橫軸相交的點(diǎn)）由520g下降到320g，同時，親水凡士林的塑性黏度（下降曲線斜率的倒數(shù)）和觸變性隨著水的加入而增大。

第9頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對軟膏基質(zhì)稠度的影響，可以利用經(jīng)過改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)黏度計進(jìn)行測定，并對其現(xiàn)象加以解釋。從圖中可以看出，溫度對兩種基質(zhì)的影響是一樣的，而且，屈服點(diǎn)的溫度變化曲線也表現(xiàn)為同樣的性質(zhì)。第10頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)流變性質(zhì)

一．牛頓流動液體流動時在液體內(nèi)形成速度梯度，故產(chǎn)生流動阻力。反映此阻力大小的切變應(yīng)力S和切變速度D有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明，純液體和多數(shù)低分子溶液在層流條件下的切變應(yīng)力與切變速度成正比。

上式為牛頓黏度定律，遵循該法則的液體為牛頓流體。式中，η——黏度或黏度系數(shù)，是表示流體黏性的物理常數(shù)。第11頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)公式得知牛頓液體的切變速度D與切變應(yīng)力S之間如圖（a）所示，呈直線關(guān)系，且直線經(jīng)過原點(diǎn)。

(a)牛頓流動第12頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月二．非牛頓流動實(shí)際上大多數(shù)液體不符合牛頓定律，如象高分子溶液、膠體溶液、乳劑、混懸劑、軟膏以及固-液的不均勻體系的流動均不遵循牛頓定律。我們把這種物質(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。對于非牛頓流體可以用旋轉(zhuǎn)黏度計進(jìn)行測定，對其切變速度D和切變應(yīng)力S的變化規(guī)律的結(jié)果作圖后可得：

(b)塑性流動（c）假塑性流動

第13頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）塑性流動(plasticflow)

塑性流動的流動曲線如圖（b）所示，曲線不經(jīng)過原點(diǎn)，在橫軸切變應(yīng)力S軸上的某處有交點(diǎn)，將直線外延至橫軸，在S上某一點(diǎn)可以得屈服值或致流值。當(dāng)切變應(yīng)力達(dá)不到屈服值以上時，液體在切變應(yīng)力作用下不發(fā)生流動。當(dāng)切變應(yīng)力增加至屈服值時，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。引起液體流動的最低切變應(yīng)力，即屈服值S0

塑性流體的流動公式可以用下式表示：

η——塑性黏度（plasticviscosity）；S0——屈伏值或降伏值。

第14頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）假塑性流動（pseudoplasticflow）

假塑性流動或假黏性流動的流動曲線如圖(c)所示。隨著S值的增大黏度下降的流動現(xiàn)象稱為假塑性流動。假塑性流動的公式如下式所示：

式中,ηa表觀黏度(apparentviscosity)。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。這種高分子隨著S值的增大其分子的長軸按流動方向有序排列。因此，可以減少對流動的阻力。第15頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）脹性流動脹性流動曲線如圖（d）所示，曲線經(jīng)過原點(diǎn)，且隨著切變應(yīng)力的增大其黏性也隨之增大，表現(xiàn)為向上突起的曲線稱為脹性流動曲線（dilatantflowcurve）。相當(dāng)于

式中n<1時的情況。

第16頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）觸變流動當(dāng)對普魯卡因、青霉素注射液或某種軟膏劑進(jìn)行攪拌時，由于其黏度下降，故流體易于流動。但是，放置一段時間以后，又恢復(fù)原來的黏性。象這種隨著切變應(yīng)力的下降，黏度下降的物質(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)。觸變性的測定可以通過計算滯后環(huán)狀曲線所包圍的面積，推測由觸變流動而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的破壞和恢復(fù)原來狀態(tài)的程度。通過這種方法可以控制制劑的特性和產(chǎn)品的質(zhì)量。第17頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月黏彈性(Viscoelasticity)高分子物質(zhì)或分散體系，具有黏性和彈性的雙重特性，我們把這種性質(zhì)稱為黏彈性。對于這種黏彈性，我們用彈性模型的彈簧和把黏性通過模型的緩沖器的復(fù)合型模型加以表示。（一）麥克斯韋爾（Maxwell）模型（二）福格特（Voigt）模型（三）雙重黏彈性模型在實(shí)際工作中高分子物質(zhì)的黏彈性現(xiàn)象非常復(fù)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(jìn)行解釋，則非常接近于實(shí)際的黏彈性現(xiàn)象。第18頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)流變性質(zhì)的測定方法

測定高分子液體的黏彈性或流變學(xué)性質(zhì)，或測定線性黏彈性函數(shù)通過以下幾個途徑：1）測定使待測樣品產(chǎn)生微小應(yīng)變r(t)時所需的應(yīng)力S(t)；2）測定對待測樣品施加應(yīng)力S(t)時所產(chǎn)生的應(yīng)變程度r(t)；3）施加一定切變速度時，測定其應(yīng)力S(t)。

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(yīng)力S0。只適用于牛頓流體（一點(diǎn)法）。第二種方法為轉(zhuǎn)動測定法。對于膠體和高分子溶液的黏度如下式所示，其變化主要依賴于切變速度。

對于非牛頓流體必須用可以測得不同切變速度的黏度計進(jìn)行測定（多點(diǎn)法）。

第19頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月一、落球黏度計法落球黏度計原理是在含有一定溫度試驗(yàn)液的垂直玻璃管內(nèi)，使具有一定密度和直徑的玻璃制或鋼制的圓球自由落下，通過測定球落下時的速度，可以得到試驗(yàn)液的黏度。圖表示的是Hoeppler落球黏度計的裝置。

第20頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月二、旋轉(zhuǎn)黏度計法旋轉(zhuǎn)黏度計有雙重圓筒形、圓錐圓板型和平行圓板型三種。如圖所示，測定原理為筒內(nèi)裝入試驗(yàn)液，然后用特制的旋轉(zhuǎn)子進(jìn)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(yīng)力。旋轉(zhuǎn)裝量中回旋角Ω和彎曲程度r以及轉(zhuǎn)矩M和應(yīng)力S之間的關(guān)系如下式所示。