第十四章-流變學基礎(chǔ)課件

第十四章流變學基礎(chǔ)天津醫(yī)科大學藥學院制劑工程教研室王銀松wangyinsong@《藥劑學Pharmacy》第十四章流變學基礎(chǔ)天津醫(yī)科大學藥學院制劑工程教研室王銀1第一節(jié)概述把固體和液體的性質(zhì)結(jié)合為整體作為對象進行研究。流變學（Rheology）：研究物體的變形

和流動

的科學。由力學、化學、工程學的交叉和綜合而產(chǎn)生的邊緣學科

第一節(jié)概述把固體和液體的性質(zhì)結(jié)合為整體作為對象2一、流變學在藥劑學中的應用混懸劑乳劑膠體溶液軟膏劑新劑型處方設計處方組成質(zhì)量評價制備工藝一、流變學在藥劑學中的應用混懸劑處方設計3二、流變學的基本概念二、流變學的基本概念4變形：對某一物體外加壓力時，其內(nèi)部各部分的形狀和體積發(fā)生變化。內(nèi)應力（stress）：對固體施加外力，固體內(nèi)部存在一種與外力相對抗的內(nèi)力使固體保持原狀，此時單位面積上存在的內(nèi)力。彈性（elasticity）：對于外部應力而產(chǎn)生的固體的變形，當去除其應力時恢復原狀的性質(zhì)。彈性變形：可逆性變形塑性變形：非可逆性變形

1.變形（deformation）變形：對某一物體外加壓力時，其內(nèi)部各部分的形狀和體積發(fā)生變化5流動：液體和氣體的主要性質(zhì)之一。流動程度與流體本身的粘性

(Viscosity)有關(guān)，因此流動也可視為一種非可逆性變形過程。

2.流動（flow）流動：液體和氣體的主要性質(zhì)之一。2.流動（flow）6

3.粘彈性（viscoelasticity）

多數(shù)物質(zhì)對外力表現(xiàn)為彈性和粘性

雙重特性，稱為粘彈性物質(zhì)。在外力作用下，物體會變形和流動。由于具有彈性，可把外力做功的一部分轉(zhuǎn)化為存儲在物質(zhì)內(nèi)部的應變能

有類似于流體的粘性，可通過內(nèi)摩擦而消耗掉另一部分外力做的功

3.粘彈性（viscoelasticity）由于7層流（laminarflow）：在流速不太快時，可將流動的液體視為互相平行移動的液層切變速度：各層的速度不同，形成速度梯度du/dy，D。剪切力：使各液層間產(chǎn)生相對運動的外力。切變應力：在單位液層面積上所需施加的剪切力，簡稱剪切力，S。兩個基本參數(shù)uy層流（laminarflow）：在流速不太快時，可將流動的8第二節(jié)流變性質(zhì)流動和變形形式不同牛頓流體非牛頓流體遵循不遵循物質(zhì)牛頓流動法則牛頓粘度定律Newtonianequation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。純液體、多數(shù)低分子溶液高分子溶液、膠體溶液、乳劑、混懸劑、軟膏等第二節(jié)流變性質(zhì)流動和變形形式不同牛頓流體非牛頓流體遵循不9F：A面積上施加的力η：粘度或粘度系數(shù)，表示流體粘性的物理常數(shù)，Pa·s、mPa·s、?；蚬剑篎：A面積上施加的力或公式：10牛頓流體：直線斜率的倒數(shù)表示粘度，粘度與剪切速度無關(guān)，是可逆的，溫度一定，粘度一定。一、牛頓流動牛頓流動曲線（斜率k=1/η）牛頓流體：直線斜率的倒數(shù)表示粘度，粘度與剪切速度無關(guān)，是可逆11液體粘度（mPa·s）蓖麻油1000氯仿0.563乙醇1.19甘油400橄欖油100水1.001920℃下幾種牛頓流體的絕對粘度液體粘度（mPa·s）蓖麻油1000氯仿0.563乙醇12二、非牛頓流動根據(jù)非牛頓流體的流動曲線的類型分為：塑性流動、假塑性流動（準塑性流動）脹性流動、觸變流動不滿足牛頓粘性定律的流體

二、非牛頓流動根據(jù)非牛頓流體的流動曲線的類型分為：不滿足牛頓13（一）塑性流動(plasticflow)當剪切應力增加至屈服值（致流值S0）時，液體開始流動，剪切速度與剪切應力呈直線關(guān)系。當剪切應力達不到屈服值以上時，液體在剪切應力作用下不發(fā)生流動，而表現(xiàn)為彈性變形。S0（一）塑性流動(plasticflow)當剪切應力增加至屈14η：塑性粘度(plasticviscosity)；S0：屈服值，dyne·cm-2流動公式：

表現(xiàn)為塑性流動的劑型：乳劑、混懸劑、單糖漿、涂劑等。η：塑性粘度(plasticviscosity)；流動公式15(二)假塑性流動(pseudoplasiticflow)隨著S值的增大而粘度下降的流動稱為假塑性流動切??！越切越稀！(二)假塑性流動(pseudoplasiticflow)16ηa：表觀粘度，隨剪切速度的改變而改變；n：指數(shù)，越大，非牛頓性越大，n=1時，為牛頓流體。流動公式：表現(xiàn)為假塑性流動：甲基纖維素、西黃薯膠、海藻酸鈉等鏈狀高分子的1%水溶液。ηa：表觀粘度，隨剪切速度的改變而改變；流動公式：表現(xiàn)為假塑17(三)脹性流動（dilatantflow）脹性流動：曲線經(jīng)過原點，隨著剪切應力的增大其粘性也隨之增大如：滑石粉或淀粉切稠！越切越粘！(三)脹性流動（dilatantflow）脹性流動：曲線18三、觸變流動觸變性(thixlotropy)：隨著剪切應力增大，粘度下降，剪切應力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。觸變性是施加應力使流體產(chǎn)生流動時，流體的粘性下降，流動性增加；停止流動時，其狀態(tài)恢復到原來性質(zhì)的現(xiàn)象。三、觸變流動觸變性(thixlotropy)：觸變性是施加應19曲線上升時被破壞的結(jié)構(gòu)并不因為應力的減少而立即恢復原狀，而是存在一種時間差。曲線上升時被破壞的結(jié)構(gòu)并不因為應力的減少而立即恢復原狀，而是20三、粘彈性粘彈性(viscoelasticity)：高分子物質(zhì)或分散體系，具有粘性和彈性的雙重特性。應力緩和(stressrelaxation)：物質(zhì)被施加一定的壓力而變形，并使其保持一定應力時，應力隨時間而減少的現(xiàn)象。蠕變性(creep)：對物質(zhì)附加一定重量時，表現(xiàn)為一定的伸展性或形變，而且隨時間變化的現(xiàn)象。可用將彈性模型的彈簧和粘性模型的緩沖器加以組合的各種模型表示。三、粘彈性粘彈性(viscoelasticity)：高分21粘彈性模型：麥克斯韋爾(Maxwell)模型：彈簧和緩沖器串聯(lián)。福格特(Voigt)模型：彈簧和緩和器并聯(lián)。雙重粘彈性模型：把幾個Maxwell和Voigt模型組合在一起接近于實際高分子材料的蠕變和恢復曲線的現(xiàn)象。粘彈性模型：麥克斯韋爾(Maxwell)模型：接近于實際高分22第三節(jié)蠕變性質(zhì)的測定方法一、測定高分子液體流變學性質(zhì)的途徑：測定使待測樣品產(chǎn)生微小應變

r(t)

時所需的應力

S(t)

；測定對待測樣品施加應力

S(t)

時所產(chǎn)生的應變程度

r(t)；施加一定切變速度時，測定其應力

S(t)。第三節(jié)蠕變性質(zhì)的測定方法一、測定高分子液體流變學性質(zhì)的途23具體測定方法：不隨時間變化的靜止測定法，即

r0一定時，施加應力

S0，適用于牛頓流體的測定。旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動測定法：切變速度。具體測定方法：24毛細管及落球粘度計牛頓流體旋轉(zhuǎn)粘度計非牛頓流體圓錐平板粘度計二、常用粘度計毛細管及落球粘度計牛頓流體二、251.毛細管粘度計原理：在一定壓力下，根據(jù)流體的壓力差或自身的重量，經(jīng)過一定長度的標準毛細管所需要的時間或流速，并計算流體的粘度。1.毛細管粘度計262.落球粘度計原理：在有一定溫度試驗液的垂直玻璃管內(nèi)，使具有一定密度和直徑的玻璃制或鋼制圓球自由落下，通過測定球落下時的速度，可求得試液的粘度。計算牛頓流體粘度：η=t(ρb-ρl)·B2.落球粘度計計算牛頓流體粘度：27類型:雙重圓筒型低粘度液體圓錐圓板型平行圓板型高粘度液體原理：筒內(nèi)裝入試驗液，用特制的旋轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)，考察產(chǎn)生的彎曲現(xiàn)象，利用作用力求得產(chǎn)生的應力。3.

旋轉(zhuǎn)粘度計類型:雙重圓筒型低粘度液體3.旋轉(zhuǎn)粘度計28旋轉(zhuǎn)粘度計工作原理由同步電機以穩(wěn)定的速度旋轉(zhuǎn)，連接刻度圓盤，再通過游絲和轉(zhuǎn)軸帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，若轉(zhuǎn)子未受到液體的阻力，則游絲、指針與刻度圓盤同速旋轉(zhuǎn)，指針在刻度盤上指出的讀數(shù)“0”；若轉(zhuǎn)子受到液體的粘滯阻力，則游絲產(chǎn)生扭矩，與粘滯阻力抗衡最后達到平衡，這時與連接的指針在刻度圓盤上指示一定的讀數(shù)（游絲的扭轉(zhuǎn)角）。將讀數(shù)乘上特定的系數(shù)即得到液體的粘度。轉(zhuǎn)筒法旋轉(zhuǎn)粘度計工作原理由同步電機以穩(wěn)定的速度旋轉(zhuǎn)，連接刻度圓盤，29旋轉(zhuǎn)裝量中回旋角Ω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Ω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。旋轉(zhuǎn)裝量中回旋角Ω和彎曲程度r以及轉(zhuǎn)矩M和應力30(a)雙重圓筒型(b)圓錐圓板形(c)平行圓板型

旋轉(zhuǎn)粘度計工作原理示意圖

(a)雙重圓筒型(b)圓錐圓板形31各型旋轉(zhuǎn)粘度計計算公式（a）型：（b）型：（c）型：各型旋轉(zhuǎn)粘度計計算公式32測定方法：將試驗液放在平板的中央，然后平板推至上面的圓錐下部后對圓錐進行旋轉(zhuǎn)，使試液在靜止平板和旋轉(zhuǎn)圓錐之間產(chǎn)生剪切。剪切速度為圓錐旋轉(zhuǎn)速度，通過讀取產(chǎn)生于圓錐的粘性引力，可得剪切應力。粘度計算：

η＝C·

T

/

V

4.圓錐平板粘度計測定方法：將試驗液放在平板的中央，然后平板推至上面的圓錐下部33圓錐-平板粘度計的幾個優(yōu)點：第一、對受切變的整個試驗液，其切變速度是相同的（保持定值），因此在測定過程中不產(chǎn)生栓塞。第二、所測定試液的裝樣和取樣非常容易；第三、在整個測定過程中能夠始終保持恒定的溫度，而且適用于微量試驗液的測定并具有良好的重現(xiàn)性。圓錐-平板粘度計的幾個優(yōu)點：34三、流變學在藥劑學中的應用混懸劑乳劑膠體溶液軟膏劑栓劑處方設計處方組成質(zhì)量評價制備工藝三、流變學在藥劑學中的應用混懸劑處方設計35(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。(一）流變學在混懸劑中的應用36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。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。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37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?。皂土、CMC-Na以及二者混合物的稠度曲線（consistencycurve）如圖所示。皂土具有非常顯著的滯后曲線，具有較大的觸變性；皂土和CMC的混合液曲線，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)。

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Ｔ硗?8（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。（二）流變學在乳劑中的應用39主要因素有：相的體積比、內(nèi)相固有的粘度、粒度分布等。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。主要因素有：相的體積比、內(nèi)相固有的粘度、粒度分布等。40（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）。如圖所示乳劑性基質(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。當親水性凡士林中加入水時，屈服點由

520g

下降到

320g，同時，親水凡士林的塑性粘度和觸變性隨水的加入而增大。（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41溫度對軟膏基質(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。從圖中可以看出，溫度對兩種基質(zhì)塑性粘度的影響是一樣的，而且降伏點的溫度變化曲線也表現(xiàn)為同樣的性質(zhì)。溫度對軟膏基質(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42而對其觸變性而言，從圖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)。而對其觸變性而言，從圖中可以看出溫度對兩種基質(zhì)的變化特性完全43例一：國產(chǎn)殼聚糖流變學性質(zhì)及其影響因素的研究例一：國產(chǎn)殼聚糖流變學性質(zhì)及其影響441.實驗目的：研究國產(chǎn)甲殼胺的流變學性質(zhì)及流變學性質(zhì)的影響因素，為其在緩控釋方面的應用提供參考。2.儀器：旋轉(zhuǎn)粘度計1.實驗目的：研究國產(chǎn)甲殼胺的流變學性質(zhì)及流變學性質(zhì)的影453.實驗內(nèi)容：3.1脫乙酰度對殼聚糖流變學性質(zhì)的影響3.2濃度對流變學性質(zhì)的影響3.3pH值對殼聚糖流變學性質(zhì)的影響3.4溫度對殼聚糖流變學性質(zhì)的影響3.5不同性質(zhì)藥物對殼聚糖流變學性質(zhì)的影響3.6離子強度對殼聚糖流變學性質(zhì)的影響4.實驗方法：于恒溫20℃測定在不同剪切速度(

D

)下的切應力(τ)，繪制D-τ曲線圖。3.實驗內(nèi)容：46Ⅰ：72％脫乙酰度Ⅱ：80％脫乙酰度Ⅲ：85％脫乙酰度Ⅳ：95％脫乙酰度實驗結(jié)果及結(jié)論假塑性流體3.1脫乙酰度對殼聚糖流變學性質(zhì)的影響Ⅰ：72％脫乙酰度實驗結(jié)果及結(jié)論假塑性流體3.1脫乙酰度47配制不同濃度的Ⅲ溶液(脫乙酰度為85％)濃度越高，粘度越大3.2濃度對流變學性質(zhì)的影響配制不同濃度的Ⅲ溶液濃度越高，粘度越大3.2濃度48用

pH

值分別為3.6、4.5

和

6.0

醋酸-醋酸鹽緩沖液分別制備

1%

殼聚糖Ⅲ溶膠，于

20℃測量不同剪切速度(D)下的切應力(S)，作流變曲線。pH值較小時,非牛頓流體行為明顯，粘度較大3.3pH值對殼聚糖流變學性質(zhì)的影響用pH值分別為3.6、4.5和6.0醋酸-醋酸鹽49溫度升高粘度下降3.4溫度對甲殼胺流變學性質(zhì)的影響溫度升高3.4溫度對甲殼胺流變學性質(zhì)的影響503.5不同性質(zhì)藥物對甲殼胺流變學性質(zhì)的影響分別制備含鹽酸雷尼替丁20%、40%的溶膠,于20℃測定不同剪切速度(D)下的切應力(S),作其流變曲線。再分別以法莫替丁、苯甲酸鈉為模型藥同前法試驗,作流變線。3.5不同性質(zhì)藥物對甲殼胺流變學性質(zhì)的影響分別制備含鹽酸雷51鹽酸雷尼替丁、苯甲酸鈉及法莫替丁的加入使殼聚糖溶膠的粘度下降，下降程度：苯甲酸鈉>鹽酸雷尼替丁>法莫替丁鹽酸雷尼替丁、苯甲酸鈉及法莫替丁的加入使殼聚糖溶膠的粘度下降52NaCl

的加入使甲殼胺溶膠的粘度減小,且隨NaCl量的增大而減小。3.6離子強度對甲殼胺流變學性質(zhì)的影響NaCl的加入使甲殼胺溶膠的粘度減小,且隨NaCl量的增53例二：黃原膠的流變學性質(zhì)及助懸性能

例二：黃原膠的流變學性質(zhì)及助懸性能541.實驗目的：測定黃原膠的流變學性質(zhì)，考察其助懸性能，選擇以黃原膠為助懸劑制備混懸劑的條件。2.儀器：NDJ-1型旋轉(zhuǎn)粘度計1.實驗目的：測定黃原膠的流變學性質(zhì)，考察其助懸性能，選553.實驗內(nèi)容：3.1不同濃度黃原膠水溶液的流變學性質(zhì)3.2光照及溫度對3g·L-1黃原膠水溶液流動性質(zhì)的影響3.3加入輔料磷酸二氫鈉及甘油后對3g·L-1黃原膠的流變學性質(zhì)影響3.4以黃原膠為助懸劑制得硫糖鋁混懸劑的流變學研究4.實驗方法：于恒溫25℃測定在不同切變速率(G)0.1，0.2，0.5(s?1)下的粘度

(η)，繪制η-G曲線圖。3.實驗內(nèi)容：56實驗結(jié)果及結(jié)論3.1不同濃度黃原膠水溶液的流變學性質(zhì)1.黃原膠具有觸變性,隨著黃原膠濃度增加，觸變更加明顯。2.當濃度小于3g·L?1時，其粘度很小，且剪切速率幾乎不影響其粘度；當濃度大于或等于3g·L?1時，其粘度突然增大。黃原膠作為助懸劑的理想濃度為

3g·L?1

實驗結(jié)果及結(jié)論3.1不同濃度黃原膠水溶液的流變學性質(zhì)1.573.2光照及溫度對3g·L?1黃原膠水溶液流動性質(zhì)的影響光照及冷藏(+4℃)對

3g·L?1

黃原膠流變學性質(zhì)影響不大冷凍可使3g·L?1

黃原膠粘度增大，但對其流變學性質(zhì)影響不大。3.2光照及溫度對3g·L?1黃原膠水溶液流動性質(zhì)的583.3加入輔料磷酸二氫鈉及甘油后對3g·L?1黃原膠的流變學性質(zhì)影響結(jié)論：配制3g·L?1黃原膠水溶液，磷酸二氫鈉最佳濃度為2g·L?1，甘油