流變學(xué)基礎(chǔ) 5

1、Chap.14 流變學(xué)基礎(chǔ),濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院藥劑教研室 王慧云,（一）掌握流變學(xué)的基本概念（二）熟悉流變學(xué)在藥劑學(xué)中的應(yīng)用、牛頓流動(dòng)和非牛頓流動(dòng)（三）了解流體的觸變流動(dòng)性和粘彈性、制劑流變性的評(píng)價(jià)方法,基本要求,流變學(xué)出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代。學(xué)者們?cè)谘芯肯鹉z、塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金屬等工業(yè)材料；巖石、土、石油、礦物等地質(zhì)材料；以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性質(zhì)過程中，發(fā)現(xiàn)使用古典彈性理論、塑性理論和牛頓流體理論已不能說明

2、這些材料的復(fù)雜特性，于是就產(chǎn)生了流變學(xué)的思想。英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋和開爾文很早就認(rèn)識(shí)到材料的變化與時(shí)間存在緊密聯(lián)系的時(shí)間效應(yīng)。,經(jīng)過長(zhǎng)期探索，人們終于得知，一切材料都具有時(shí)間效應(yīng)，于是出現(xiàn)了流變學(xué)，并在20世紀(jì)30年代后得到蓬勃發(fā)展。1929年，美國(guó)在Bingham教授的倡議下，創(chuàng)建流變學(xué)會(huì)；1939年，荷蘭皇家科學(xué)院成立了以伯格斯教授為首的流變學(xué)小組；1940年英國(guó)出現(xiàn)了流變學(xué)家學(xué)會(huì)。當(dāng)時(shí)，荷蘭的工作處于領(lǐng)先地位，1948年國(guó)際流變學(xué)

3、會(huì)議就是在荷蘭舉行的。法國(guó)、日本、瑞典、澳大利亞、奧地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利時(shí)等國(guó)也先后成立了流變學(xué)會(huì)。,,流變學(xué)(rheology)指研究物體變形和流動(dòng)的科學(xué)流變性：物體在外力作用下表現(xiàn)出來的變形性和流動(dòng)性。彈性變形（elastic deformation)：可逆變形塑性變形(plastic deformation)：非可逆變形,一、流變學(xué)的基本概念,第一節(jié) 概述,,,,,,流變學(xué)的研究范圍? 橡膠條的拉伸與壓縮，輪

4、胎橡膠接觸面的回復(fù)? 化妝品在皮膚上的涂抹及感覺，牙膏的擠出特性及在牙刷上的穩(wěn)定性? 模具內(nèi)部塑料熱熔體的流動(dòng)? 涂料在墻面上的垂掛性? 番茄醬的傾倒和穩(wěn)定，乳制品的特性? 熔體纖維紡絲? 涂料的涂裝，噴塑還是涂刷? 膠粘劑的粘合? 甚至山脈的流動(dòng) !,第一節(jié) 概述,,流體的流動(dòng)類型，首先由雷諾(Reynolds)用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了觀察。喇叭狀的玻璃管浸沒在透明的水槽內(nèi)，管出口有調(diào)節(jié)水流量用的閥門，水槽上方的小瓶?jī)?nèi)充有,有色

5、液體,實(shí)驗(yàn)時(shí)，有色液體從瓶中流出，經(jīng)喇叭口中心處的針狀細(xì)管流入管內(nèi)。從有色流體的流動(dòng)情況可以觀察到管內(nèi)水流中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況.,,,（二）剪切應(yīng)力與剪切速度,,粘度(viscosity):它表示物質(zhì)在流動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力的大小,為使液層能維持一定的速度流動(dòng),必須施加一個(gè)與阻力相等的反方向力,在單位液層面積上所施加的這種力稱為剪切應(yīng)力S(shearing force):簡(jiǎn)稱切力.單位為N.m-2,Shear stress is the stres

6、s component parallel to a given surface, such as a fault plane, that results from forces applied parallel to the surface or from remote forces transmitted through the surrounding rock.,切變速度D (shearing rate): 速度梯度.單位為:S-1

7、大小等于兩液層間的速度差除以兩液層間的距離.,Shear rate is the rate of change of velocity at which one layer of fluid passes over an adjacent layer.,二、流變學(xué)在藥劑學(xué)中的應(yīng)用,流變學(xué)理論對(duì)乳劑、混懸劑、半固體制劑等劑型設(shè)計(jì)、處方組成以及制備、質(zhì)量控制等研究具有重要意義。,,（一）流變學(xué)在混懸劑中的應(yīng)用,混懸劑靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的剪切應(yīng)力忽

8、略不計(jì)，但振搖后把制劑從容器中倒出時(shí)存在較大的剪切速度?；鞈覄┰谫A藏過程中若剪切速度小，則顯示較高的粘性；若剪切速度大，則顯示較低的粘性?；鞈覄┰谡駬u、倒出及鋪展時(shí)能自由流動(dòng)是形成理想的混懸劑的最佳條件。,（二）流變學(xué)在乳劑中的應(yīng)用,,乳劑在制備和使用過程中經(jīng)常會(huì)受到各種剪切力的影響，大部分乳劑表現(xiàn)為非牛頓流動(dòng)。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)性決定。體現(xiàn)在乳劑鋪展性、通過性、適應(yīng)性等方面。掌握制劑處方對(duì)乳

9、劑流動(dòng)性的影響非常重要。,,,（三）流變學(xué)在半固體制劑中的應(yīng)用,半固體制劑的處方組成發(fā)生變化時(shí)可改變其流變性質(zhì)。外界因素（如溫度等）也對(duì)半固體制劑的流變性質(zhì)有影響。具有適宜的粘度是半固體制劑的處方設(shè)計(jì)和制備工藝過程優(yōu)化的關(guān)鍵。,,流變學(xué)在藥學(xué)中應(yīng)用,,,,一、牛頓流動(dòng),牛頓流體:在層流條件下的切應(yīng)力S與切變速度成正比。純液體或大多數(shù)低分子溶液).牛頓公式只有在層流條件下才適用。,第二節(jié)流變性質(zhì),,,,,,,A-牛頓流體； B-塑性

10、流體； C-假塑性流體；D-脹性流體； E-觸變性流體,,射流脹大,爬桿效應(yīng),無管虹吸,湍流減阻,上圖為未添加聚乙烯氧化物的情形  下圖為添加聚乙烯氧化物后的情形,,(一) 塑性流動(dòng) (plastic flow)也叫Bingham體,若一個(gè)物體所受的力超過某一限度,其形狀的改變是永久的,則該物體便是可塑的.對(duì)于流體，當(dāng)外加切應(yīng)力較小時(shí)不流動(dòng)只發(fā)生彈性形變;而一旦切應(yīng)力超過某一限度時(shí),體系的變形就是永久的,表現(xiàn)出可塑性,故稱

11、為塑性流體.塑性體流變曲線為直線,不通過原點(diǎn),但與切應(yīng)力軸相交一點(diǎn)fB,使塑性體開始流動(dòng)所需加的臨界切應(yīng)力即為屈服值（yield value),,體系沒有屈服值,流變曲線經(jīng)過原點(diǎn), 黏度隨切速增加而減少.顯示這種流動(dòng)性質(zhì)的流體即為假塑性流體.,從流動(dòng)曲線某一特定點(diǎn)切線斜率的倒數(shù)求得的黏度稱為表觀黏度(happ).表觀黏度一定要標(biāo)明測(cè)定時(shí)的切變速度.通常高切力的流動(dòng)曲線趨于線性,此時(shí)黏度最低.,表觀黏度,假設(shè)性指數(shù),n=1時(shí),牛頓流體

12、越大,非牛頓性愈強(qiáng),,,,,,假塑性流體的結(jié)構(gòu)變化示意圖,,流體的黏度隨切變速度的增加而增加由于這種流體在切變過程中體積增加,故稱之為脹性流體.脹性流體還具有切變?cè)龀淼淖饔?,n<1,脹性體系機(jī)理示意圖,,,在切變應(yīng)力為零的情況下,顆粒全是散開的,故黏度較小.切力大時(shí),許多顆粒被攪在一起,形成團(tuán)塊,但大大增加了流動(dòng)阻力,攪得越劇烈結(jié)合越多,阻力也越大,也就顯得越稠,直至最終變成糊狀,流動(dòng)停止.這種作用是可逆的,應(yīng)力解除,流動(dòng)性

13、會(huì)重新建立,,,,觸變性即通過接觸而變化.隨切變應(yīng)力增加黏度下降,,切應(yīng)力消除后黏度在等溫條件下緩慢地恢復(fù)原來狀態(tài)的現(xiàn)象-觸變性,觸變流型的滯后圈,假塑性材料的觸變-流變圖,脹性物質(zhì)的觸變流變圖,,,四、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，稱之為粘彈性(viscoelasticity)。 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)

14、力隨時(shí)間而減少，此現(xiàn)象稱為應(yīng)力緩和(stress relaxation) 。 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(creep)。,,,,將彈性模量為G的彈簧與粘度為η的粘壺串聯(lián)，即為麥克斯韋爾模型 當(dāng)施加應(yīng)力S時(shí)，形變等于彈簧與粘壺形變之和,S＝Soexp（-t/τ）松弛時(shí)間τ等于應(yīng)力松弛至起始應(yīng)力的1/e時(shí)所經(jīng)的時(shí)間。松弛時(shí)間越長(zhǎng)，該模型越接近理想彈性體。麥克斯韋爾模型可以描述應(yīng)

15、力松弛過程，但不能描述蠕變過程。,麥克斯韋爾模型,,(二)Voigt(或Kelvin)模型將彈性模量為G的彈簧與粘度為η的粘壺并聯(lián)，即為沃伊特模型。因?yàn)槭遣⒙?lián)，所以應(yīng)力S等于彈簧及粘壺所承受的應(yīng)力之和,當(dāng)施加一定的負(fù)荷時(shí)，即S=S0時(shí)的關(guān)系式通過對(duì)上式積分得,式中，?=?/G，表示形變量下降到全形變量的1/e所需要的時(shí)間，叫滯延時(shí)間(retavalation time)。表示在一定的負(fù)荷下伸展隨時(shí)間的變化，反映蠕變的方程。伸展的程度開

16、始隨時(shí)間而增大，到了一定的時(shí)間后S0/G達(dá)到定值。,,第三節(jié) 蠕變性質(zhì)的測(cè)定方法,測(cè)定使待測(cè)樣品產(chǎn)生微小應(yīng)變r(jià)（t）時(shí)所需應(yīng)力S (t) 牛頓流體 毛細(xì)管黏度計(jì)或落球黏度計(jì)測(cè)定對(duì)待測(cè)樣品施加應(yīng)力S (t)時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變程度r（t） 施加一定切變速度時(shí)，測(cè)定其應(yīng)力S (t)非牛頓流體 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì) 圓錐平板黏度計(jì) 轉(zhuǎn)筒黏度計(jì),一、落球粘度計(jì),二、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì),筒內(nèi)裝入試驗(yàn)液，用特制的轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，考察產(chǎn)

17、生的彎曲現(xiàn)象，利用作用力求得產(chǎn)生的應(yīng)力，,粘度的表示方法主要是3 種，運(yùn)動(dòng)粘度、特性粘數(shù)和動(dòng)力粘度，相應(yīng)的也采用3 種粘度計(jì)來測(cè)試，其中測(cè)試動(dòng)力粘度的就是旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。動(dòng)力粘度：面積各為1m2并相距1m的兩層流體，以1m/s的速度作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。單位：Pa.S(帕.秒) 運(yùn)動(dòng)粘度:即液體的動(dòng)力粘度與同溫度下該流體密度ρ之比。用小寫字母v表示。,旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的類型很多，包括同軸雙筒旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、單筒旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、錐板粘度計(jì)、轉(zhuǎn)