藥劑學課件：第七章 流變學基礎

第七章

流變學基礎典型流變系統(tǒng)本章內容流變學定義流變性質流變學在藥劑學中的應用測定方法（教材第三節(jié)，自學）流變學定義

‘流動和變形的科學’剪切應變變形想象一個放置在固定面上的類似橡膠狀材料的立方體H剪切應變變形在上端面施加一個力，該力就產(chǎn)生一個形變Force,F剪切應變變形在上端面施加一個力，該力就產(chǎn)生一個形變Force,F剪切應變變形在上端面施加一個力，該力就產(chǎn)生一個形變Force,F剪切應變變形在上端面施加一個力，該力就產(chǎn)生一個形變Force,Fdu（剪切應變）ShearStrain=du/hh剪切應變變形剪切應變通常簡稱為應變應變沒有單位。因此人們采用‘%strain’或‘millistrain’采用應變的原因是它與幾何形狀無關應變=

位移間隙剪切應力施加在單位面積上的力稱為剪切應力

力=

N面積

m21N/m2=1PaForce,Fh如果立方體是粘性液體，當我們施加一個力時，我們就得到一個恒定的流動而不是一個形變這個流動能夠描述為應變隨時間變化的函數(shù)關系粘性流動Force,Fh如果立方體是粘性液體，當我們施加一個力時，我們就得到一個恒定的流動而不是一個形變這個流動能夠描述為應變隨時間變化的函數(shù)關系粘性流動Constantvelocity,vForce,FhConstantvelocity,v如果立方體是粘性液體，當我們施加一個力時，我們就得到一個恒定的流動而不是一個形變這個流動能夠描述為應變隨時間變化的函數(shù)關系粘性流動Force,FhConstantvelocity,v如果立方體是粘性液體，當我們施加一個力時，我們就得到一個恒定的流動而不是一個形變這個流動能夠描述為應變隨時間變化的函數(shù)關系粘性流動如果立方體是粘性液體，當我們施加一個力時，我們就得到一個恒定的流動而不是一個形變這個流動能夠描述為應變隨時間變化的函數(shù)關系粘性流動Force,FhConstantvelocity,v剪切速率應變（STRAIN）的變化速率稱為剪切應變速率（shearstrainrate）或剪切速率（SHEARRATE）因為應變（strain）沒有單位，所以剪切速率的單位是1/秒(S-1)剪切速率=d應變d時間生產(chǎn)和應用中典型的剪切速率 工藝 最小剪切速率

最大剪切速率 (1/s) (1/s)反向印刷 1e+05 1e+06噴濺 1e+04 1e+05刮涂 1e+03 1e+05混合/攪拌 1e+01 1e+03刷涂 1e+01 1e+03泵輸送 1e+00 1e+03擠出 1e+00 1e+02幕式淋涂 1e+00 1e+02流平 1e-02 1e-01掛流 1e-02 1e-01沉降 1e-06 1e-04剪切粘度單位:Pascalsecond-Pas(SI)Poise -P(CGS)單位換算: 1Pas=10P或1mPas=1cps粘度=

剪切應力

剪切速率粘度剪切速率s-1(或應力)低高10-6106儲藏沉降下垂流平運輸浸漬混合擠出泵輸送刷涂噴濺粘度計流變儀輥涂反向印刷1流變性質

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)。單位為泊，1P=0.1N·S·m-2，SI單位中粘度用Pa·S或Kg/(m·s)表示。粘度系數(shù)除以密度ρ得的值ν（ν

=η/ρ）為動力粘度（SI單位為㎡/S）。

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。

根據(jù)公式得知牛頓液體的切變速度D與切變應力S之間如下圖所示，呈直線關系且直線經(jīng)過原點。

(a)牛頓流動

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稱為非牛頓流體，這種物質的流動現(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粘度計進行測定。（一）塑性流動(plasticflow)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，得屈伏值（yieldvalue）或降伏值。當切變應力增加至屈伏值時，液體開始流動，切變速度D和切變應力S呈直線關系。液體的這種性質稱為塑性流動。引起液體流動的最低剪切應力為屈伏值S0：

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

(b)塑性流動塑性流體的結構變化示意圖塑性流動的特點：不過原點；有屈伏值S0；當切應力S<S0時，形成向上彎曲的曲線；當切應力S>S0時，切變速度D和切應力呈直線關系。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。（二）假塑性流動（pseudoplasticflow）隨著S值的增大粘度下降的流動現(xiàn)象稱為假塑性流動。

式中，ηa

——表觀粘度（apparentviscosity）。假塑性流動的特點：沒屈伏值；過原點；切應速度增大，形成向下彎的上升曲線，粘度下降，液體變稀。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于絮凝狀態(tài)的液體。（c）假塑性流動

（三）脹性流動（dilatantflow）脹性流動曲線曲線經(jīng)過原點，且隨著切變應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

脹性液體的流動公式：D=Sn/

an<1，為脹性流體；當n接近1時，流動接近牛頓流動。

脹性流體的結構變化示意圖

脹性流動的特點：沒屈伏值；過原點；切應速度很小時，液體流動速度較大，當切應速度逐漸增加時，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。（四）觸變流動(thixotropicflow)

當對普魯卡因、青霉素注射液或某種軟膏劑進行攪拌時，由于其粘度下降，故流體易于流動。但是，放置一段時間以后，又恢復原來的粘性。隨著切變應力的下降，其粘度下降的物質，即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（thixlotropy）。（e）觸變流動

產(chǎn)生觸變的原因：對流體施加切應力后，破壞了液體內部的網(wǎng)狀結構，當切應力減小時，液體又重新恢復原有結構，恢復過程所需時間較長，因而上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逆轉換。塑性流體、假塑性流體、脹性流體中多數(shù)具有觸變性，它們分別稱為觸變性塑性液體、觸變性假塑性液體、觸變性脹性液體。三.粘彈性(Viscoelasticity)高分子物質或分散體系具有粘性(viscosity)和彈性(elasticity)雙重特性，稱之為粘彈性。

應力緩和(stressrelaxation)：物質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，此現(xiàn)象稱為應力緩和。

蠕變性(creep)：對物質附加一定的重量時，表現(xiàn)為一定的伸展性或形變，而且隨時間變化，此現(xiàn)象稱為蠕變性。

對于這種粘彈性，我們用彈性模型化的彈簧和把粘性通過模型的緩沖器的復合型模型加以表示：（一）麥克斯韋爾（Maxwell）模型（二）福格特（Voigt）模型（三）雙重粘彈性模型（四）多重粘彈性模型詳見教材113-114流變學在藥劑學中的應用

流變學在藥學研究中的重要意義在于可以應用流變學理論對乳劑、混懸劑、半固體制劑等的劑型設計、處方組成以及制備、質量控制等進行評價。如制備醫(yī)療和化妝品用的雪花膏、糊劑、洗滌劑時必須調整適當?shù)某矶群蜐櫥?，才能使其制劑達到良好的重現(xiàn)性。制備制劑時選擇的裝置不同，流變學的性質也不一樣。而且，如果在制備過程中制備裝置選擇不當，制劑的流變學性能得不到滿意的效果。一種物質的流變性和變形按其類別可以分兩類：一種為牛頓流變學，另一種為非牛頓流變學。(一）流變學在混懸劑中的應用

流變學可應用于討論影響混懸液中分散粒子沉降時的粘性及經(jīng)過振蕩從容器中倒出混懸劑時的流變性質的變化。同時也可以應用于投藥部位的洗劑的伸展性能等方面?；鞈乙涸陟o止狀態(tài)下所產(chǎn)生的切變應力，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。Mervine和Chase提出混懸劑在貯藏過程中切變速度小，顯示較高的粘性，切變速度變大，顯示較低的粘性。即混懸劑在振搖、倒出及鋪展時能否自由流動是形成理想的混懸劑的最佳條件。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，具有上述性能。圖中用牛頓流體性質的甘油為對照組進行實驗，結果說明，甘油的粘性作為懸浮粒子的助懸劑較為理想。如果從容器中倒出以及在皮膚表面涂膜時其粘度較高,由于甘油本身的稠度較大，且吸濕性高，所以不經(jīng)稀釋則無法使用。右圖表示的是皂土、羧甲基纖維素鈉以及皂土和羧甲基纖維素鈉混合物的稠度曲線（con-sistencycurve）：皂土具有非常顯著的滯后曲線，且在裝入膨潤土樣品的容器的翻轉試驗中發(fā)現(xiàn)，具有較大的觸變性。而皂土和CMC的混合分散液曲線，則表現(xiàn)出假塑性流動和觸變性雙重性質。因此，可以通過調節(jié)分散液的混合比例，制成理想的混懸劑的基質。

（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。例如，為了使皮膚科用的制劑或化妝品達到其質量標準，必須調節(jié)和控制好制劑的伸展性。另外，為了使皮膚注射用乳劑容易通過注射用針頭，且容易從容器中倒出以及使乳劑的特性適合于工業(yè)化生產(chǎn)工藝的需要，掌握制劑處方對乳劑流動性的影響非常重要。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。

分散相相關的幾個因素主要有相的體積比，粒度分布，內相固有的粘度等。如分散相體積比相對較低時（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，轉變?yōu)樗苄粤鲃印Ｈ绻w積比接近0.74時產(chǎn)生相的轉移，粘度顯著增大。而且平均粒子徑變小，粘度增大，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)粘度低。另外，影響乳劑粘度的還有一個主要因素為乳化劑。

膜的物理學特性和電學性質也是影響乳劑粘性的重要因素之一。（三）流變學在半固體制劑中的應用

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）。右圖表示的是乳劑性基質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，屈服