药剂学课件流变学基础

1、第一节第一节 概述概述l掌握：流变学的概念、内应力、弹性、弹性变形，牛顿流体、非牛顿流体l熟悉：触变流动、粘弹性的的概念。l了解：流变学在药剂学中的应用和发展，粘弹性模型，制剂流变性的评价方法流变学（流变学（RheologyRheology）是研究物质的是研究物质的变形和流动变形和流动的一的一门科学。门科学。变形是变形是固体固体的性质：某一固体受到外力时，其各部的性质：某一固体受到外力时，其各部分的形状和体积将发生变化，这就是分的形状和体积将发生变化，这就是变形变形当除去外力时，固体具有恢复原状的倾向性，这种当除去外力时，固体具有恢复原状的倾向性，这种恢复原状的性质称为恢复原状的性质称为弹性弹

2、性可逆性变形称为可逆性变形称为弹性变形弹性变形, ,而非可逆性变形成为而非可逆性变形成为塑塑形变性形变性一一 流变学的基本概念流变学的基本概念（一）流变学的研究内容（一）流变学的研究内容对固体施加外力时，固体内部存在着一种与外力对固体施加外力时，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面积上存在的内力称为内应力内应力v流动是液体和气体的性质。流动是液体和气体的性质。v流动的难易与液体和气体本身具有的性质有关，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我们把这种性质称为粘性（粘性（Visco

3、sityViscosity）v流动也可视为一种非可逆性的变形过程流动也可视为一种非可逆性的变形过程v实际上，多数物质可以对外力表现出弹性和粘性实际上，多数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），这也是流变学的重双重特性（简称为粘弹性），这也是流变学的重要性质之一要性质之一( (二）切变应力与切变速率二）切变应力与切变速率在流速不太快时，可以将流在流速不太快时，可以将流动着的液体视为互相平行移动动着的液体视为互相平行移动的一个个液层，叫的一个个液层，叫层流层流由于各层的速度是不同的，由于各层的速度是不同的，所以产生所以产生速度梯度速度梯度du/dydu/dy，或或称为称为剪切速度

4、剪切速度速度梯度是流体流动的基本速度梯度是流体流动的基本特征特征图图13-113-1流动时形成速度梯度流动时形成速度梯度uyv因为有速度梯度存在，流动较慢的液层阻滞着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，所以产生流动较快液层的运动，所以产生流动阻力流动阻力v为了使液层能维持一定的速度梯度运动，就必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须对它施加一个与流动阻力相等的反向力v我们把在单位液层面积（我们把在单位液层面积（A A）上所需施加的这种上所需施加的这种力称为力称为剪切应力（简称剪切力剪切应力（简称剪切力）, ,以以S S表示，单位表

5、示，单位为为N/mN/m2 2v剪切速度以剪切速度以D D表示，单位为表示，单位为S S-1-1v剪切应力与剪切速度是表征体系流变性质的两剪切应力与剪切速度是表征体系流变性质的两个基本参数个基本参数我们已经知道：液体流动时，在液体内形成速度我们已经知道：液体流动时，在液体内形成速度梯度，故而产生流动阻力。剪切应力梯度，故而产生流动阻力。剪切应力S S反映了此阻反映了此阻力大小，它与切变速度力大小，它与切变速度D D有关有关第二节第二节 流变性质流变性质 根据流动和变形形式不同，将物质分类为根据流动和变形形式不同，将物质分类为牛顿牛顿流体流体和和非牛顿流体非牛顿流体牛顿流体遵循牛顿流动法则，非牛

6、顿流体不遵牛顿流体遵循牛顿流动法则，非牛顿流体不遵循该法则循该法则一、牛顿流动一、牛顿流动实验证明实验证明: : 纯液体和多数低分子溶液在层流条纯液体和多数低分子溶液在层流条件下的切变应力件下的切变应力S S与切变速度与切变速度D D成正比成正比上式即为著名的上式即为著名的牛顿粘度定律牛顿粘度定律，遵循该定律遵循该定律的液体即为牛顿流体的液体即为牛顿流体。这种流体的流动现象称这种流体的流动现象称为牛顿流动为牛顿流动。S1DDAFS或（1 14-14-1）式中式中:FA面积上施加的力；面积上施加的力；粘度或称粘度系数粘度或称粘度系数,是表示流体是表示流体粘性的物理常数。粘性的物理常数。粘度单位用

7、泊粘度单位用泊（Poise）来表示，来表示，20水的粘度约为水的粘度约为0.01泊泊(p)=1厘泊厘泊（cp)。 表表1 14-24-2中表示制剂研究中常用的各种液体在中表示制剂研究中常用的各种液体在2020条件下的粘度。条件下的粘度。 二非牛顿流动二非牛顿流动v实际上，大多数液体实际上，大多数液体不符合牛顿粘度定律不符合牛顿粘度定律，如高，如高分子溶液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏等不分子溶液、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均匀体系的流动均不遵循牛顿定律v我们把这种不遵循牛顿定律的液体称为我们把这种不遵循牛顿定律的液体称为非牛顿流非牛顿流体体，这种流体的流动现

8、象称为这种流体的流动现象称为非牛顿流动非牛顿流动v按非牛顿液体的流动曲线类型的不同，可以把非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牛顿液体分为塑性流动、假塑性流动、胀形流动塑性流动、假塑性流动、胀形流动塑性流动的流动曲线塑性流动的流动曲线如图所示如图所示塑性流动的流动曲线不经过原点塑性流动的流动曲线不经过原点,将曲线的直线将曲线的直线部分外延至横轴时部分外延至横轴时,可与横轴有一交点，在这个交可与横轴有一交点，在这个交点的切变应力值称为屈伏值点的切变应力值称为屈伏值（记为记为S0 ）(b)塑性流动塑性流动SSSS0 0时，液体开始流时，液体开始流动；动； S S0 0实质上是引

9、起塑性实质上是引起塑性液体流动的最低切变液体流动的最低切变应力。应力。（一）塑性流动（一）塑性流动 当当S S S S0 0时，即切变应力时，即切变应力S S达不到屈伏值时，液体达不到屈伏值时，液体将不发生流动，此时该物质表现为将不发生流动，此时该物质表现为弹性物质的性质弹性物质的性质 当当S S S S0 0时，即切变应力时，即切变应力S S增大到屈伏值时，液体将增大到屈伏值时，液体将开始流动，切变速度开始流动，切变速度D D和切变应力和切变应力S S呈直线关系呈直线关系( (此时此时以后以后, ,粘度粘度保持不变保持不变) )。液体的这种性质称为。液体的这种性质称为塑性塑性塑性流体的流动公

10、式可以用下式（塑性流体的流动公式可以用下式（13-213-2）表示：）表示：SSD（13-213-2）表现为塑性流动的制剂主要有浓度较高的乳剂、混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、涂膜剂等悬剂、单糖浆、涂膜剂等式中：式中：塑性粘度（塑性粘度（plastic viscosity）；）；S0屈伏值或致流值屈伏值或致流值。（三）胀性流动三）胀性流动胀性流动曲线如下图所示胀性流动曲线如下图所示曲线经过原点，且随着切变应力的增大其粘性曲线经过原点，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也随之增大，表现为向上突起的曲线称为胀性流动曲线（动曲线（dila

11、tant flow curvedilatant flow curve）它相当于（它相当于（13-313-3）式中）式中n1n1时的情况。时的情况。 anSD(n1)切稠！越切越粘！切稠！越切越粘！三、触变流动三、触变流动随着剪切应力的增大，其粘度下降、等温静置后随着剪切应力的增大，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又缓慢地恢复到原来粘稠状态的现象称为触变性触变性触变流动曲线如下图所示触变流动曲线如下图所示其流动曲线的特性表现为：下降曲线与上升曲线其流动曲线的特性表现为：下降曲线与上升曲线相比向左迁移，在图上表现为环状的滞后曲线。相比向左迁移，在图上表现为环状的滞后曲线。

12、曲线上升时被破坏的结构并不因为应力的减少而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。立即恢复原状，而是存在一种时间差。即所谓的触变性是施加应力即所谓的触变性是施加应力使流体产生流动时，流体的使流体产生流动时，流体的粘性下降，流动性增加；而粘性下降，流动性增加；而停止流动时，其状态恢复到停止流动时，其状态恢复到原来性质的现象原来性质的现象高分子物质或分散体系，具有粘性和弹性的双重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特性，我们把这种性质称为粘弹性粘弹性物质被施加一定的压力而变形，并使其保持一定物质被施加一定的压力而变形，并使其保持一定

13、应力时，应力随时间而减少，把这种现象称为应应力时，应力随时间而减少，把这种现象称为应力缓和力缓和对物质附加一定重量时，表现为一定的伸展性或对物质附加一定重量时，表现为一定的伸展性或形变，而且随时间变化，把这种现象称为蠕变形变，而且随时间变化，把这种现象称为蠕变对于这种粘弹性，我们用弹性模型化的弹簧和把对于这种粘弹性，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粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示（自学）（自学）三三. .粘弹性粘弹性第三节第三节 流变性质的测定方法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，或测定高分子液体的粘弹性或流变学性质，或测定线性粘弹

14、性函数通过以下几个途径：测定线性粘弹性函数通过以下几个途径： 1 1）测定对待测样品施加微小弯曲作用）测定对待测样品施加微小弯曲作用r(t)r(t)时所产生的应力时所产生的应力S(t)S(t) 2) 2)测定对待测样品施加应力测定对待测样品施加应力S(t)S(t)时所产生时所产生的弯曲程度的弯曲程度r(t)r(t) 3 3）施加弯曲速度测定其应力施加弯曲速度测定其应力S(t)S(t) 第一种方法是不随时间变化的静止测定法，第一种方法是不随时间变化的静止测定法，即即r r0 0一定时，施加应力一定时，施加应力S S0 0。 第二种方法为转动测定法。对于胶体和高第二种方法为转动测定法。对于胶体和高

15、分子溶液的粘度如下式所示，其变化主要分子溶液的粘度如下式所示，其变化主要依赖于切变速度依赖于切变速度 DSDn)(式中，式中，n(D)非牛顿流体的粘度非牛顿流体的粘度 ；S-剪切应力；剪切应力；D-剪切速度剪切速度具体测定方法有两种具体测定方法有两种: :l对于牛顿流体可以用具有一定切变速度的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粘度计进行测定l但是，对于非牛顿流体必须用同时可以测但是，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得不同的切变速度的粘度计进行测定一、落球粘度计法一、落球粘度计法 Hoppler落球粘度计落球粘度计原理：原理：在有一定温度试验液的在有

16、一定温度试验液的垂直玻璃管内（在下）垂直玻璃管内（在下）使具有一定密度和直径使具有一定密度和直径的玻璃球或钢球自由落的玻璃球或钢球自由落下下通过测定球落下时的速通过测定球落下时的速度度可以得到试验液的粘度可以得到试验液的粘度 测定方法测定方法将试验液和圆球装入到玻璃管内，外围的恒温槽内注入将试验液和圆球装入到玻璃管内，外围的恒温槽内注入循环水保持一定的温度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反复测数次，利用下式计算得到牛顿液体的粘度 Btlb)(Bt

17、lb)(t球落下时经过两个标记线所需时间，球落下时经过两个标记线所需时间，sec；b、l在测定温在测定温度条件下球和液体的比重；度条件下球和液体的比重；B球本身固有的常数球本身固有的常数 二二 旋转粘度计法旋转粘度计法旋转粘度计有双重圆筒形、圆锥圆板型和平行旋转粘度计有双重圆筒形、圆锥圆板型和平行圆板型三种。圆板型三种。(a)双重圆筒型双重圆筒型 (b)圆锥圆板形圆锥圆板形 (c)平行圆板型平行圆板型测定原理测定原理筒内装入试验液，然后用特制的旋转子进行旋筒内装入试验液，然后用特制的旋转子进行旋转时，考察产生的弯曲现象转时，考察产生的弯曲现象利用作用力求得产生的应力利用作用力求得产生的应力旋转

18、装量中回旋角旋转装量中回旋角和弯曲程度和弯曲程度r r以及转矩以及转矩M M和和应力应力S S之间的关系如下式所示之间的关系如下式所示 2Kr1KMS 式中，式中，K1、K2常数。设常数。设为旋转速度，即切变速度。双重圆筒型为旋转速度，即切变速度。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12222211/2/)1(2RRsssKLRK2313/2KRKRhKRK/2/231各型旋转粘度计计算公式如下：各型旋转粘度计计算公式如下：（a a）型：型：（b b）型：型： （c c）型：）型：Ferranti-Shirley粘度

19、计为圆锥粘度计为圆锥平板粘度计的一平板粘度计的一种类型种类型Ferranti-Shirley圆锥圆锥平板粘度计的装置如下图平板粘度计的装置如下图所示所示测定方法为将试验液放在平板的中央，然后把平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和旋转的圆锥之间产生切变三三. .圆锥圆锥平板粘度计法平板粘度计法剪剪切速度用每分钟圆锥旋转的转速来表示切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，即剪切应力通过读取产生于圆锥的粘性引力，即剪切应力的刻度可以得到剪切应力的刻度可以得到剪

20、切应力 然后用切变应力与切变速度作图，以下面的公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即可以计算得到试验液的粘度VTTCUfVTCVTC式中，式中，C-常数；常数；T-转矩；转矩；V每分钟瞄旋转数，即圆锥的转速每分钟瞄旋转数，即圆锥的转速 如果试验液为塑性流动的流体，则其塑性粘度用如果试验液为塑性流动的流体，则其塑性粘度用下式表示：下式表示：T Tf f剪切应力轴上的转矩；剪切应力轴上的转矩；C Cf f装置固有的常数装置固有的常数 ffTCfffTCfffTCf 圆锥圆锥- -平板粘度计与圆筒粘度计比较有以下几平板粘度计与圆筒粘度计比较有以下几个个优点：优点：

21、第一，对受切变的整个试验液，其切变速度是相第一，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第二，对所测定的试验液的装样和取样非常容易第三，在整个测定过程中能够始终保持恒定的温第三，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度，而且适用于微量试验液的测定并具有良好的重现性现性四四. .制剂流变性的评价方法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测定软膏、乳剂、雪花膏等半固体制剂的流变性质质主要用主要用针入度计针入度

22、计(penetrometer)，凝结拉力计凝结拉力计(curd tensionmeter)和和伸展计伸展计(spread meter)进行进行测定测定如图所示针入度计如图所示针入度计主要用于测定软膏等主要用于测定软膏等制剂的硬度。制剂的硬度。其主要原理为在软膏其主要原理为在软膏表面，测定圆锥体尖的表面，测定圆锥体尖的针头进入软膏体的距离，针头进入软膏体的距离，一般用一般用0.01mm为一个为一个单位来表示。合格的软单位来表示。合格的软膏制剂通常规定，其范膏制剂通常规定，其范围在围在200 240个单位个单位凝结拉力计凝结拉力计(curd tensionmeter) 如图所示如图所示主要是利用与

23、弹簧相连主要是利用与弹簧相连的接触轴上垂吊一定量的的接触轴上垂吊一定量的物体，将试验液按一定的物体，将试验液按一定的速度上下移动，使接触轴速度上下移动，使接触轴浸入到试验液中浸入到试验液中再通过记录仪记录此时再通过记录仪记录此时的剪切速度并计算其粘度的剪切速度并计算其粘度伸展计如图所示伸展计如图所示测定的原理是在平测定的原理是在平行板之间装入试验液，行板之间装入试验液，在一定压力条件下通在一定压力条件下通过测定试验液的扩展过测定试验液的扩展速度来求得试验液的速度来求得试验液的伸展性能伸展性能 流变学在药学研究中的流变学在药学研究中的重要意义重要意义在于：在于：可以应用流变学理论对混悬剂、乳剂、

24、半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。工艺、质量控制等进行研究与评价。流变学在药剂学中的应用流变学在药剂学中的应用在混悬液中，流变学原理可用于讨论：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）展性混悬液应用于投药部位时的伸（铺）展性 MervineMervine和和ChaseChase提出：提出： 良好的混悬剂在贮藏过程中切变速度很小，应良好的混悬剂在

25、贮藏过程中切变速度很小，应显示出较高的粘性；显示出较高的粘性； 在应用时，切变速度变大，应显示较低的粘性在应用时，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。形成理想混悬剂的最佳判别条件。( (一）流变学在混悬剂中的应用一）流变学在混悬剂中的应用表现假塑性流动的西黄蓍胶、海藻酸钠、羧甲基纤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，具有上述性能维素钠等物质，具有上述性能下图用甘油（牛顿流体）为对照组进行的实验结果下图用甘油（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说明：甘油的粘性作为悬浮粒子的助悬剂也较为理想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图13-313-3表示的是皂土、表示的是皂土、CMC-NaCMC-Na以及二者混合物的稠度曲线（以及二者混合物的稠度曲线（consistency curveconsistency 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图中表示皂土具有非常显著的滞后曲线，且在装入