Transcript 第十四章流变学基础
第十四章 流变学基础 1 复习 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。 2 内 容 纲 要 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 3 第一节 概述 一、流变学的基本概念 （一） 流变学研究内容 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。 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 （二） 切变应力与切变速率 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。 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 二、流变学在药剂学中的应用 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。 9 （一） 流变学在混悬剂中的应用 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。 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。 11 12 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。 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 （二）流变学在乳剂中的应用 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。 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<0.05，系统表现为牛顿流动，随 着体积比增加系统的流动性下降，表现为假塑性 流动。体积比高的时候，转变为塑性流动。如果 体积比接近0.74时产生相转移，粘度显著增大。 粒度分布广的系统比粒度分布狭的系统粘度低。 15 影响乳剂流动性的因素中，连续相的粘度是主要 的因素。乳化剂也是影响乳剂粘度的主要因素之 一。乳化剂的类型会影响粒子的絮凝作用和粒子 间的引力，而且改变其流动性。乳化剂的浓度越 高制剂的粘度越大。 膜的物理学特性和电学性质也是影响乳剂粘性的 重要因素之一。 16 （三）流变学在半固体制剂中的应用 制备软膏剂时，必须 控制好材料的浓度 （稠度）。当亲水性 凡士林中加入水，屈 服点（下降曲线延伸 与横轴相交的点）由 520g下降到320g，同 时，亲水凡士林的塑 性粘度（下降曲线斜 率的倒数）和触变性 随着水的加入而增大。 17 温度对软膏基质稠度的影响，例：凡士 林、液体石蜡聚乙烯复合型软膏基质的 塑性流动及触变性的影响。 从图中可以看 出，温度对两 种基质的塑性 流动的影响是 一样的，屈服 点的温度变化 曲线也表现为 同样的性质。 18 温度对两种基质触变性的 变化特性完全不同，原因 温度升高凡士林的蜡状骨 架基质产生崩解，液体石 蜡聚乙烯复合型软膏基质 能够维持树脂状结构。 在制备制剂时，上述理论 和曲线可以设计具有最佳 粘度特性的软膏处方。 19 在剂型设计和制备工艺过程中流变学的主要应用领 域如下。 表14-1 流变学在药学中的应用领域 20 第二节 流变性质 一、牛顿流动 液体流动时，在液体内形成速度梯度，故产生流体阻 力。此阻力（切变应力S)大小应与切变速度D有关。 纯液体和多数低分子溶液在层流条件下的切变应力与 切变速度成正比。 S F S D 或 D 牛顿粘度定律 A 遵循该法则的液体为牛顿流体,不遵循该法则的液体 为非牛顿流体。η为粘度或粘度系数，是表示流体粘 性的物理常数。 21 粘度单位用泊（Poise）来表示，SI单位中粘度用 Pa·S或 Kg/(m·s)表示，1g/(cm·s)为1泊，1泊=100 厘泊，Pa·S=1000mPa·S , 1mPa·S=1厘泊。20℃水 的粘度约为1mPa·S。表14-2 给出了20℃下几种牛 顿流体的绝对粘度。 牛顿液体的切变速 度D与切变应力S之 间呈直线关系，且 直线经过原点。 22 二、非牛顿流动 大多数液体不符合牛顿定律，如高分子溶液、 胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固-液的不 均匀体系的流动均不遵循牛顿定律。我们把这 种物质称为非牛顿流体，这种物质的流动现象 称为非牛顿流动。 非牛顿流体可以用旋转粘度计测定粘度，对其 切变速度D和切变应力S的变化规律的结果作图 后可得流动曲线或粘度曲线。 23 根据非牛顿液体的流动曲线的类型把非牛顿 流体分为塑性流动、假塑性流动、胀性流动。 24 （一） 塑性流动 塑性流动的流动曲线，如图14-7（b）所示， 曲线不经过原点，在切变应力S轴上的某处有 交点，将直线外延至横轴，在S轴上某一点可 以得屈服值（yield value）。 当切变应力<屈服值时，液体在切变应力作用 下不发生流动，表现为弹性物质的性质。当切 变应力增加至屈服值时，液体开始流动，切变 速度D和切变应力S呈直线关系。液体的这种性 质称为塑性（plastisity）。 25 引起液体流动的力为最低切变应力为屈服值 （S0），塑性流体的流动公式： D S S η为塑性粘度，S0为屈服值（单位dyne·㎝-2） 在制剂中表现为塑性流动的剂型有浓度较高的 乳剂、混悬剂、单糖浆、涂剂等。 （二） 假塑性流动 假塑性流动（假粘性流动）的流动曲线见图14-7(c) 。 随着S值的增大而粘度下降的流动称为假塑性流动。 26 假塑性流动的公式为： D S n a (n>1) ηa－表观粘度。如PVP、甲基纤维素、西黄蓍胶、海 藻酸钠等链状高分子的1%水溶液表现为假塑性流动。 这种高分子随着S值的增大其分子的长轴按流动方向 有序排列。因此，可以减少对流动的阻力。 （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 三、 触变流动 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。 29 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。 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。 30 四、粘弹性 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。 31 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: （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。 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： t S S 0 exp( ) 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。 33 34 （二）福格特（Voigt）模型 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： 当施加一定的负 重时，即S=S0时 S0 t r ( ) 1 exp G 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 （三）双重粘弹性模型 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。 37 第三节 蠕变性质的测定方法 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。 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。 S ( D) D （14-9） 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。 39 一、落球粘度计 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。 40 41 二、旋转粘度计 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。 42 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。 r K2 M S K1 （14-11） 式中K1、K2—常数。 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。 43 图14-13各型旋转粘度计的计算公式如下： （a）型： K1=2πR12L K2=（s2-1）/2s2 S=R2/R1 （b）型： K1=2πR3/3 K2=θ （c）型： K1=πR3/2 K2=h/R （14-12） (14-13) （14-14） (14-15) 44 三、圆锥平板粘度计 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。 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。 T C V 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： T T U C f V 屈服值用式 f C f T f 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。 51