药剂学 第十三章 流变学基础.ppt

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1、2023/7/30,药剂学,1,第五版教材药剂学 第十三章 流变学基础（第一节）,2023/7/30,药剂学,2,第一节 概述,一流变学的基本概念（一）流变学的研究内容(二）切变应力与切变速率 二、流变学在药剂学中的应用(一）在混悬剂中的应用（二）在乳剂中的应用（三）在半固体制剂中的应用一流变学的基本概念（一）流变学的研究内容流变学（Rheology）是研究物质 的变形和流动的一门科学。,2023/7/30,药剂学,3,变形是固体的性质：某一固体受到外力时，其各部分的形状和体积将发生变化，这就是变形。当除去外力时，固体具有恢复原状的倾向性，我们把这种恢复原状的性质称为弹性（Elasticity

2、）。（同时，把可逆性变形称为弹性变形）。对固体施加外力时，固体内部存在着一种与外力相对抗的内力使固体恢复原状，我们把这种单位面积上存在的内力称为应力（Stress）。,2023/7/30,药剂学,4,流动是液体和气体的性质。流动的难易与液体和气体本身具有的性质有关，我们把这种性质称为粘性（Viscosity）。（流动也可视为一种非可逆性的变形过程）。实际上，某些物质可以对外力表现出弹性和粘性双重特性（简称为粘弹性），这也是流变学的重要性质之一。,2023/7/30,药剂学,5,(二）切变应力与切变速率观察河中的流水：尽管水流方向一致，但水流速度却不同，中心处的水流最快，靠近河岸水流较慢。,因此

3、，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一个个液层（如图13-1）；由于各层的速度是不同的，所以产生速度梯度du/dy，这是流动的基本特征。,图13-1流动时形成速度梯度,u,u,u,y,2023/7/30,药剂学,6,因为有速度梯度存在，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流动阻力相等的反向力，我们把在单位液层面积（A）上所需施加的这种力称为切变应力（简称切应力Shearing force，以S表示）,单位为N/m2。速度梯度（rate of shear）亦称为切变速度，以D表示，单位为S-1，。切变

4、应力与切变速度是表征体系流变性质的两个基本参数。,2023/7/30,药剂学,7,二、流变学在药剂学中的应用 流变学在药学研究中的重要意义在于：可以应用流变学理论对混悬剂、乳剂、半固体制剂等的剂型设计、处方组成、制备工艺、质量控制等进行研究与评价。物质的流动性可以分两大类：一种为牛顿流动，另一种为非牛顿流动。,2023/7/30,药剂学,8,(一）流变学在混悬剂中的应用在混悬液中，流变学原理可用于讨论：粘性对粒子沉降的影响，混悬液经振荡从容器中倒出时的流动性 的变化，混悬液应用于投药部位时的伸（铺）展 性 Mervine和Chase提出：良好的混悬剂在贮藏过程中切变速度很小，应显示出较高的粘性

5、；在应用时，切变速度变大，应显示较低的粘性。即：混悬剂在振摇、倒出及铺展时是否自由流动是形成理想混悬剂的最佳判别条件。,2023/7/30,药剂学,9,表现假塑性流动的西黄蓍胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠等物质，具有上述性能。图13-2用甘油（牛顿流体）为对照组进行的实验结果说明：甘油的粘性作为悬浮粒子的助悬剂也较为理想。,2023/7/30,药剂学,10,触变性物质在静置状态下可形成凝胶，经振摇后转变为液状。图13-3表示的是皂土、CMC-Na以及二者混合物的稠度曲线（consistency curve）。图中表示皂土具有非常显著的滞后曲线，且在装入膨润土样品的容器的翻转试验中发现，具有较大的

6、触变性。而皂土和CMC的混合分散液曲线，则表现出假塑性流动和触变性双重性质。因此，可以通过调节分散液的混合比例，制成理想的混悬剂的基质。,2023/7/30,药剂学,11,（二）流变学在乳剂中的应用乳剂在制备和使用过程中往往会受到各种切变力的影响，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。除了被稀释成很稀的溶液以外，大部分乳剂主要表现为非牛顿流动。因此，对其数据的处理或不同系统以及各制剂间的定量比较非常困难。,2023/7/30,药剂学,12,主要因素有：相的体积比、内相固有的粘度、粒度分布等。如分散相（内相）体积比较低时（0.05以下），其系统表现为牛顿流动；随着体积比增

7、加，系统的流动性下降，表现为假塑性流动。而体积比高的时候，转变为塑性流动。当体积比接近0.74时，产生相的转移，粘度显著增大。在同样的平均粒径条件下，粒度分布范围广的系统比粒度分布狭的系统粘度低。另外，乳化剂也是影响乳剂粘度的一个主要因素。,2023/7/30,药剂学,13,（三）流变学在半固体制剂中的应用 在制备软膏剂和化妆品时，必须控制好非牛顿流体材料的浓度（稠度）。图13-4表示的是乳剂性基质，亲水性凡士林或含有水分的亲水性凡士林溶液的流动曲线2。当亲水性凡士林中加入水时，致流值由520g下降到320g，同时，亲水凡士林的塑性粘度和触变性随着水的加入而增大。,2023/7/30,药剂学,

8、14,温度对该软膏基质稠度的影响，可以利用经过改进的旋转粘度计进行测定，并对其现象加以解释。从图13-5中可以看出，温度对两种基质的影响是一样的，而且，降伏点的温度变化曲线也表现为同样的性质。,2023/7/30,药剂学,15,而对其触变性而言，从图13-6中可以看出温度对两种基质的变化特性完全不同.其原因主要是随着温度的升高凡士林的蜡状骨架基质产生崩解，另一方面，液体石蜡聚乙烯复合型软膏基质，通常在温度发生变化的条件下能够维持树脂状结构。,2023/7/30,药剂学,16,国家教委“面向21世纪教学内容与课程体系改革”教材药剂学 第十三章 流变学基础(第二节),2023/7/30,药剂学,1

9、7,第二节 流变性质一、牛顿流动 我们已经知道：液体流动时，在液体内形成速度梯度，故而产生流动阻力。切变应力S反映了此阻力大小，它与切变速度D有关。实验证明:纯液体和多数低分子溶液在层流条件下的切变应力S与切变速度D成正比。,2023/7/30,药剂学,18,上式即为著名的牛顿粘度定律，遵循该定律的液体即为牛顿流体。这种流体的流动现象称为牛顿流动。式中:FA面积上施加的力；粘度或称粘度系数,是表示流体粘性的物理常数。粘度单位用泊（Poise）来表示，20水的粘度约为0.01泊(p)=1厘泊（cp)。,（13-1）,2023/7/30,药剂学,19,表13-1中表示制剂研究中常用的各种液体在20

10、条件下的粘度。,2023/7/30,药剂学,20,根据式13-1可知：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，如图13-7（a）所示。,图13-7 各种类型的液体流体流动曲线,(a)牛顿流动曲线（斜率k=1/）,S增大时，斜率保持不变，即粘度保持不变。,2023/7/30,药剂学,21,二非牛顿流动 实际上，大多数液体不符合牛顿粘度定律，如高分子溶液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏等不均匀体系的流动均不遵循牛顿定律。我们把这种不遵循牛顿定律的液体称为非牛顿流体，这种流体的流动现象称为非牛顿流动。,按非牛顿液体的流动曲线类型的不同，可以把非牛顿液体分为塑性流动、假塑性流动、

11、胀形流动、触变流动。,2023/7/30,药剂学,22,（一）塑性流动(plastic flow)如图13-7(b)所示，塑性流动的流动曲线不经过原点,将曲线的直线部分外延至横轴时,可与横轴有一交点，在这个交点的切变应力值称为屈伏值或致流值（记为S0）。,(b)塑性流动（S0 致流值）（c）假塑性流动,S增大时，斜率k不断增大，粘度不断下降。,SS0时，液体开始流动；S0实质上是引起塑性液体流动的最低切变应力。,2023/7/30,药剂学,23,当S S0时，即切变应力S达不到屈伏值（致流值）时，液体将不发生流动，此时该物质表现为弹性物质的性质。当SS0时，即切变应力S增大到屈伏值（致流值）时

12、，液体将开始流动，切变速度D和切变应力S呈直线关系(此时以后,粘度保持不变)。液体的这种性质称为塑性。,2023/7/30,药剂学,24,塑性流体的流动公式可以用下式（13-2）表示：（13-2）,式中：塑性粘度（plastic viscosity）；S0屈伏值或致流值。表现为塑性流动的制剂主要有浓度较高的乳剂、混悬剂、单糖浆、涂膜剂等。,2023/7/30,药剂学,25,（二）假塑性流动（pseudoplastic flow）假塑性流动的流动曲线如图13-7(c)所示。这种随着S值的增大，粘度下降的流动现象称为假塑性流动，其流动公式（13-3）如下所示：(n1)式中a 表观粘度（appare

13、nt viscosity）如甲基纤维素、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，其原因是：随着S值的增大，这些高分子的长轴按流动方向有序排列，减少了对流动的阻力。,切稀！越切越稀！,2023/7/30,药剂学,26,（三）胀性流动 胀性流动曲线如图13-9（d）所示，曲线经过原点，且随着切变应力的增大其粘性也随之增大，表现为向上突起的曲线称为胀性流动曲线（dilatant flow curve），它相当于（13-3）式中n1时的情况。,图13-9 胀性流动和触变流动的示意图,(n1),切稠！越切越粘！,2023/7/30,药剂学,27,（四）触变流动当对某种软膏剂进行搅拌时

14、，其粘稠度下降、易于流动；当静置一段时间以后，它又恢复了原来的粘性。象这种随着切变应力的增大，其粘度下降、等温静置后又缓慢地恢复到原来粘稠状态的现象称为触变流动（thixlotropy）。触变流动曲线如图13-9（e）所示，其流动曲线的特性表现为：下降曲线与上升曲线相比，不仅没有重合而且向左迁移，在图上表现为环状的滞后曲线。曲线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。,2023/7/30,药剂学,28,三.粘弹性(Viscoelasticity)自学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

15、一定的伸展性时，应力随时间而减少，把这种现象称为缓冲应力(Stress relaxation)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（Czeep）。对于这种粘弹性，我们用弹性模型化的弹簧和把粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示5。,2023/7/30,药剂学,29,（一）麦克斯韦尔（Maxwell）模型如图13-10（a）所示，把弹簧（弹性率G）和缓冲器（粘性率）串联的模型称为Maxwell模型。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，故可得如下关系式：S=G r1,r=r

16、1+r2 由此得：当t=0时，r=r0，即保持恒定值。,2023/7/30,药剂学,30,则当t0时,。在此条件上对上式进行计算得：式中=/G，式中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，把这种现象称为缓冲应力(Stress relaxation),其结果如图所示。图13-11（a）中为缓冲时间(relaxation time),即应力值变为开始时的一半所需要的时间，换言之模型所固有的时间。,2023/7/30,药剂学,31,（二）福格特（Voigt）模型如图13-10（b）所示，把弹簧的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S1和S

17、2用下式表示：由于 S=S1+S2，故 当施加一定的负重时，即S=S0时的关系式通过对上式积分得：,2023/7/30,药剂学,32,式中，=/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弯曲时间的变化称为蠕变(creep)现象，表示滞延时间(retardation time)，及全部变形量达到1/e位置所需要的时间。,2023/7/30,药剂学,33,（a）Maxwell因素（b）Voigt因素图13-10 粘弹性的力学模型,2023/7/30,药剂学,34,时间t 时间t（a）(b)图13-11 Max

18、well模型的缓冲应力（a）和Voigt模型的缓冲器,2023/7/30,药剂学,35,（三）双重粘弹性模型 在实际工作中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模型很难解释清楚其现象。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13-12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。在t=0时，负荷一定的应力S，以及t=t1时减荷时的伸展系数r和时间t之间的关系。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。,2023/7/30,药剂学,36,图13-12 4因素模型及其粘弹性现象,202

19、3/7/30,药剂学,37,（四）多重粘弹性模型图13-13表示的是并联具有1n缓冲时间的Maxwell模型，其相对应关系式如下所示：两边除以r，设Er(t)=S/r,Ei=S0,i/r时 式中，Er(t)缓冲弹性率；即 H()缓冲时间的分布函数。H()和的关系称为缓冲范围.对非结晶性高分子结构的物理特性由该范围可以得到。,2023/7/30,药剂学,38,图13-13 图13-14多重Maxwell模型图 多重Voigt模型图,2023/7/30,药剂学,39,图13-14表示具有滞延时间1n时的多重排列的Voigt模型。其对应的关系式如下所示：,两边再除以S，设 Jc(t)=r/S,Ji=

20、r,i/S，则 式中，Jc(t)蠕变伸缩率；L()滞延时间分布函数；L()的关系为滞延范围。,2023/7/30,药剂学,40,国家教委“面向21世纪教学内容与课程体系改革”教材药剂学 第十三章 流变学基础(第三节),2023/7/30,药剂学,41,第三节 流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几个途径：1）测定对待测样品施加微小弯曲作用r(t)时所产生的应力S(t)；2)测定对待测样品施加应力S(t)时所产生的弯曲程度r(t)；3）施加弯曲速度测定其应力S(t)。,2023/7/30,药剂学,42,具体测定方法有两种:第一种方法是不随时间变化的静

21、止测定法，即r0一定时，施加应力S0。第二种方法为转动测定法。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。式中，n(D)非牛顿流体的粘度。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可以测得不同的切变速度的粘度计进行测定。,2023/7/30,药剂学,43,一、落球粘度计法 落球粘度计的原理是：在含有受试液的垂直玻璃管内（在一定温度下），使玻璃球或钢球自由落下，由球的落下速度和球的质量即可求得受试液的粘度（见右图13-15）。,图13-15 Hoeppler落球粘度计,2023/7/30,药剂学,44,测定方法是将试验液和圆球装入到玻璃

22、管内，外围的恒温槽内注入循环水保持一定的温度，使球位于玻璃管上端，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。式中，t球落下时经过两个标记线所需时间（sec）；Sb、Sf在测定温度条件下球和液体的比重；B球本身固有的常数。,2023/7/30,药剂学,45,二.旋转粘度计法 旋转粘度计有双重圆筒形、圆锥圆板型和平行圆板型三种7。如图13-16所示，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。旋转装量中回旋角和弯曲程度r以及转矩M和应力S之间的关系如下式所示。式中，K1、K2常数。设为旋转速度，即

23、切变速度。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。,2023/7/30,药剂学,46,(a)双重圆筒型(b)圆锥圆板形(c)平行圆板型 图13-16旋转粘度计工作原理示意图,2023/7/30,药剂学,47,图13-16各型旋转粘度计计算公式如下：（a）型：（b）型：（c）型：,2023/7/30,药剂学,48,三.圆锥平板粘度计法 Ferranti-Shirley粘度计为圆锥平板粘度计的一种类型。Ferranti-Shirley圆锥平板粘度计的装置如下图所示1。测定方法为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，使试验液在静止的平板和旋转的圆锥之间产生切变

24、。,圆锥平板粘度计,2023/7/30,药剂学,49,切变速度用每分钟圆锥旋转的转速来表示，切变应力通过刻度读取，然后用切变应力与切变速度作图，以下面的公式即可以计算得到试验液的粘度。=式中，C常数；T转矩；V每分钟的旋转数，即圆锥的旋转速度 如果试验液为塑性流动的流体，则其塑性粘度用下式可以表示：其中屈伏值用式 f=CfTf来表示，式中，Tf切变应力轴上的转矩；Cf装置固有的常数。,2023/7/30,药剂学,50,圆锥-平板粘度计与圆筒粘度计比较有以下几个优点：第一，对受切变的整个试验液，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。第二，对所测定的试验液的装样和取样非常容易

25、；第三，在整个测定过程中能够始终保持恒定的温度，而且适用于微量试验液的测定并具有良好的重现性。,2023/7/30,药剂学,51,四.制剂流变性的评价方法测定软膏、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 tensionmeter)和伸展计(spread meter)进行测定1。,如图13-19（a）所示针入度计，主要用于测定软膏等制剂的硬度。其主要原理为在软膏表面，测定圆锥体尖的针头进入软膏体的距离，一般用0.01mm为一个单位来表示。合格的软膏制剂通常规定，其范围在200 240个单位。,2023/7/30,药剂学,52,伸展计如图13-19（c）所示，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。,