rheology流變學(xué)基礎(chǔ)

1、流變學(xué)基礎(chǔ),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(dòng)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(dòng)的一門科學(xué)。 變形：對(duì)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(duì)固體施加外力，則固體內(nèi)部存在一種與外力相對(duì)抗的內(nèi)力使固體恢復(fù)原狀。此時(shí)在單位面積上存在的內(nèi)力稱為應(yīng)力（Stress）。,由外部應(yīng)力而

2、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（elastic deformati-on），而非可逆性變形稱為塑性變形（plastic deformat- ion）。 流動(dòng)主要表示液體和氣體的性質(zhì)。流動(dòng)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(dòng)也視為一種非可逆性變形過程。 實(shí)際上，某一種物質(zhì)對(duì)外力表現(xiàn)為彈性和粘性雙重特性

3、（粘彈性）。這種性質(zhì)稱為流變學(xué)性質(zhì)，對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行定量解析的學(xué)問稱為流變學(xué)。,切變應(yīng)力與切變速率 在流速不太快時(shí)，可將流動(dòng)著的液體視為互相平行移動(dòng)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(dòng)的基本特征。,,u,y,表征體系流變性質(zhì)的兩個(gè)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(duì)運(yùn)動(dòng)的外力稱為剪切應(yīng)力，簡稱剪切力（sheari g force）,單位為N/m2，以S表示。2.剪切

4、速度（rate of shear），單位為S-1，以D表示。,第二節(jié) 流變性質(zhì) 一．牛頓流動(dòng)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)。單位為泊，1P= 0.1N·S ·m-2，SI單位中粘度用P

5、a·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(dòng)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(yīng)力S之間如下圖所示，呈直線關(guān)系且直線經(jīng)過原點(diǎn)。,(a)牛頓流動(dòng),二．非牛頓流動(dòng) 實(shí)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(dòng)。把這種不遵循牛頓粘度定律

6、的物質(zhì)稱為非牛頓流體，這種物質(zhì)的流動(dòng)現(xiàn)象稱為非牛頓流動(dòng)。 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(dòng)、假塑性流動(dòng)、脹形流動(dòng)、觸變流動(dòng)。 對(duì)于非牛頓流體可以用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行測定。,（一）塑性流動(dòng)(plastic flow) 塑性流動(dòng)的流動(dòng)曲線：曲線不經(jīng)過原點(diǎn)，在橫軸S軸上的某處有交點(diǎn)，得屈伏值（yield value）或降伏值。當(dāng)切變應(yīng)力增加至屈伏值時(shí)，液體開始流動(dòng)，切變速度D和切變應(yīng)力S呈

7、直線關(guān)系。液體的這種性質(zhì)稱為塑性流動(dòng)。引起液體流動(dòng)的最低剪切應(yīng)力為屈伏值S0：,η——塑性粘度（plastic viscosity）；S0——屈伏值、致流值或降伏值，單位為dyne·㎝-2。,(b)塑性流動(dòng),塑性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖,塑性流動(dòng)的特點(diǎn)：不過原點(diǎn)；有屈伏值S0；當(dāng)切應(yīng)力S S0時(shí)，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(dòng)的劑型有濃度較高的乳劑和混懸劑。,（二）假塑性流動(dòng)（pseudoplastic

8、flow）隨著S值的增大粘度下降的流動(dòng)現(xiàn)象稱為假塑性流動(dòng)。 式中，ηa ——表觀粘度（apparent viscosity）。假塑性流動(dòng)的特點(diǎn)：沒屈伏值；過原點(diǎn)；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。在制劑中表現(xiàn)為假塑性流動(dòng)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(dòng),（三）脹性流動(dòng)（dilatant flow） 脹性流

9、動(dòng)曲線曲線經(jīng)過原點(diǎn)，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(dòng)曲線（dilatant flow curve）。,（d）脹性流動(dòng),脹性液體的流動(dòng)公式：D= Sn /?a n<1，為脹性流體；當(dāng)n接近1時(shí)，流動(dòng)接近牛頓流動(dòng)。,脹性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖,脹性流動(dòng)的特點(diǎn)：沒屈伏值；過原點(diǎn)；切應(yīng)速度很小時(shí)，液體流動(dòng)速度較大，當(dāng)切應(yīng)速度逐漸增加時(shí)，液體流動(dòng)速度逐漸減小，液體對(duì)流動(dòng)的阻力增加，表觀粘度增加，流動(dòng)

10、曲線向上彎曲。 在制劑中表現(xiàn)為脹性流動(dòng)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(dòng)(thixotropic flow) 當(dāng)對(duì)普魯卡因、青霉素注射液或某種軟膏劑進(jìn)行攪拌時(shí)，由于其粘度下降，故流體易于流動(dòng)。但是，放置一段時(shí)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）。,（e）觸變流動(dòng),產(chǎn)生觸變的原

11、因：對(duì)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(shí)，液體又重新恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)，恢復(fù)過程所需時(shí)間較長，因而上行線和下行線就不重合。 觸變流動(dòng)的特點(diǎn)：等溫的溶膠和凝膠的可逆轉(zhuǎn)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。,其流動(dòng)曲線的特性表現(xiàn)為剪切應(yīng)力的下降曲線，并與上升曲線相比向左遷移。在圖上表現(xiàn)為環(huán)狀滯后曲線。也就是說，用同一個(gè)S值進(jìn)行比較，曲線下降時(shí)

12、粘度低，上升時(shí)被破壞的結(jié)構(gòu)并不因?yàn)閼?yīng)力的減少而立即恢復(fù)原狀，而是存在一種時(shí)間差。即所謂的觸變性是施加應(yīng)力使其流體產(chǎn)生流動(dòng)時(shí)，流體的流動(dòng)性暫時(shí)性增加。 觸變性的測定可以通過計(jì)算滯后環(huán)狀曲線所包圍的面積，推測由觸變流動(dòng)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。,三.粘彈性(Viscoelasticity) 高分子物質(zhì)或分散體系具有粘性(viscosity)和彈性(elasticity)雙重特性，

13、稱之為粘彈性。 應(yīng)力緩和(stress relaxation)：物質(zhì)被施加一定的壓力而變形，并使其保持一定應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間而減少，此現(xiàn)象稱為應(yīng)力緩和。 蠕變性(creep)：對(duì)物質(zhì)附加一定的重量時(shí)，表現(xiàn)為一定的伸展性或形變，而且隨時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為蠕變性。,對(duì)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(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）雙重粘

14、彈性模型（四）多重粘彈性模型,流變學(xué)在藥劑學(xué)中的應(yīng)用 流變學(xué)在藥學(xué)研究中的重要意義在于可以應(yīng)用流變學(xué)理論對(duì)乳劑、混懸劑、半固體制劑等的劑型設(shè)計(jì)、處方組成以及制備、質(zhì)量控制等進(jìn)行評(píng)價(jià)。 如制備醫(yī)療和化妝品用的雪花膏、糊劑、洗滌劑時(shí)必須調(diào)整適當(dāng)?shù)某矶群蜐櫥?，才能使其制劑達(dá)到良好的重現(xiàn)性。制備制劑時(shí)選擇的裝置不同，流變學(xué)的性質(zhì)也不一樣。而且，如果在制備過程中制備裝置選擇不當(dāng)，制劑的流變學(xué)性能得不到滿意的效果。 一種物質(zhì)

15、的流變性和變形按其類別可以分兩類：一種為牛頓流變學(xué)，另一種為非牛頓流變學(xué)。,(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(shí)的粘性及經(jīng)過振蕩從容器中倒出混懸劑時(shí)的流變性質(zhì)的變化。同時(shí)也可以應(yīng)用于投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(jì)。但是，經(jīng)過振搖后把制劑從容器中倒出時(shí)可以觀察到存在較大的切變速度。 Mervine和C

16、hase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(shí)能否自由流動(dòng)是形成理想的混懸劑的最佳條件。,表現(xiàn)假塑性流動(dòng)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。圖中用牛頓流體性質(zhì)的甘油為對(duì)照組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果說明，甘油的粘性作為懸浮粒子的助懸劑較為理想。如果從容器中到出以及在皮膚表面涂膜時(shí)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。觸變性物

17、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?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-sistency curve）：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(zhuǎn)試驗(yàn)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(dòng)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)。,（二）流變學(xué)在乳劑中的應(yīng)用 乳劑在制備和使用過程中往往會(huì)受

18、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(dòng)性而定。例如，為了使皮膚科用的制劑或化妝品達(dá)到其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，必須調(diào)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(duì)乳劑流動(dòng)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(dòng)。因此，對(duì)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

19、。,分散相相關(guān)的幾個(gè)因素主要有相的體積比，粒度分布，內(nèi)相固有的粘度等。如分散相體積比相對(duì)較低時(shí)（0.05以下），其系統(tǒng)表現(xiàn)為牛頓流動(dòng)，隨著體積比增加系統(tǒng)的流動(dòng)性下降，表現(xiàn)為假塑性流動(dòng)。而體積比高的時(shí)候，轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄粤鲃?dòng)。如果體積比接近0.74時(shí)產(chǎn)生相的轉(zhuǎn)移，粘度顯著增大。而且平均粒子徑變小，粘度增大，同時(shí)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(gè)主要因素為乳化劑。 膜的物理

20、學(xué)特性和電學(xué)性質(zhì)也是影響乳劑粘性的重要因素之一。,（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(shí)，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(zhì)親水性凡士林或含有水分的親水性凡士林溶液的流動(dòng)曲線：當(dāng)親水性凡士林中加入水，屈服點(diǎn)由520g下降到320g，同時(shí)其塑性粘度（下降曲線斜率的倒數(shù)）和觸變性隨著水的加入而增大。,溫度對(duì)軟膏基質(zhì)稠度的影響，可以利用經(jīng)過改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行測定，并對(duì)其現(xiàn)象加以解