藥劑學(xué)課件：第七章 流變學(xué)基礎(chǔ)

第七章

流變學(xué)基礎(chǔ)典型流變系統(tǒng)本章內(nèi)容流變學(xué)定義流變性質(zhì)流變學(xué)在藥劑學(xué)中的應(yīng)用測(cè)定方法（教材第三節(jié)，自學(xué)）流變學(xué)定義

‘流動(dòng)和變形的科學(xué)’剪切應(yīng)變變形想象一個(gè)放置在固定面上的類似橡膠狀材料的立方體H剪切應(yīng)變變形在上端面施加一個(gè)力，該力就產(chǎn)生一個(gè)形變Force,F剪切應(yīng)變變形在上端面施加一個(gè)力，該力就產(chǎn)生一個(gè)形變Force,F剪切應(yīng)變變形在上端面施加一個(gè)力，該力就產(chǎn)生一個(gè)形變Force,F剪切應(yīng)變變形在上端面施加一個(gè)力，該力就產(chǎn)生一個(gè)形變Force,Fdu（剪切應(yīng)變）ShearStrain=du/hh剪切應(yīng)變變形剪切應(yīng)變通常簡(jiǎn)稱為應(yīng)變應(yīng)變沒(méi)有單位。因此人們采用‘%strain’或‘millistrain’采用應(yīng)變的原因是它與幾何形狀無(wú)關(guān)應(yīng)變=

位移間隙剪切應(yīng)力施加在單位面積上的力稱為剪切應(yīng)力

力=

N面積

m21N/m2=1PaForce,Fh如果立方體是粘性液體，當(dāng)我們施加一個(gè)力時(shí)，我們就得到一個(gè)恒定的流動(dòng)而不是一個(gè)形變這個(gè)流動(dòng)能夠描述為應(yīng)變隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系粘性流動(dòng)Force,Fh如果立方體是粘性液體，當(dāng)我們施加一個(gè)力時(shí)，我們就得到一個(gè)恒定的流動(dòng)而不是一個(gè)形變這個(gè)流動(dòng)能夠描述為應(yīng)變隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系粘性流動(dòng)Constantvelocity,vForce,FhConstantvelocity,v如果立方體是粘性液體，當(dāng)我們施加一個(gè)力時(shí)，我們就得到一個(gè)恒定的流動(dòng)而不是一個(gè)形變這個(gè)流動(dòng)能夠描述為應(yīng)變隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系粘性流動(dòng)Force,FhConstantvelocity,v如果立方體是粘性液體，當(dāng)我們施加一個(gè)力時(shí)，我們就得到一個(gè)恒定的流動(dòng)而不是一個(gè)形變這個(gè)流動(dòng)能夠描述為應(yīng)變隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系粘性流動(dòng)如果立方體是粘性液體，當(dāng)我們施加一個(gè)力時(shí)，我們就得到一個(gè)恒定的流動(dòng)而不是一個(gè)形變這個(gè)流動(dòng)能夠描述為應(yīng)變隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系粘性流動(dòng)Force,FhConstantvelocity,v剪切速率應(yīng)變（STRAIN）的變化速率稱為剪切應(yīng)變速率（shearstrainrate）或剪切速率（SHEARRATE）因?yàn)閼?yīng)變（strain）沒(méi)有單位，所以剪切速率的單位是1/秒(S-1)剪切速率=d應(yīng)變d時(shí)間生產(chǎn)和應(yīng)用中典型的剪切速率 工藝 最小剪切速率

最大剪切速率 (1/s) (1/s)反向印刷 1e+05 1e+06噴濺 1e+04 1e+05刮涂 1e+03 1e+05混合/攪拌 1e+01 1e+03刷涂 1e+01 1e+03泵輸送 1e+00 1e+03擠出 1e+00 1e+02幕式淋涂 1e+00 1e+02流平 1e-02 1e-01掛流 1e-02 1e-01沉降 1e-06 1e-04剪切粘度單位:Pascalsecond-Pas(SI)Poise -P(CGS)單位換算: 1Pas=10P或1mPas=1cps粘度=

剪切應(yīng)力

剪切速率粘度剪切速率s-1(或應(yīng)力)低高10-6106儲(chǔ)藏沉降下垂流平運(yùn)輸浸漬混合擠出泵輸送刷涂噴濺粘度計(jì)流變儀輥涂反向印刷1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Pa·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(guò)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(cè)定。（一）塑性流動(dòng)(plasticflow)塑性流動(dòng)的流動(dòng)曲線：曲線不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，在橫軸S軸上的某處有交點(diǎn)，得屈伏值（yieldvalue）或降伏值。當(dāng)切變應(yīng)力增加至屈伏值時(shí)，液體開(kāi)始流動(dòng)，切變速度D和切變應(yīng)力S呈直線關(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（plasticviscosity）；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(guò)原點(diǎn)；有屈伏值S0；當(dāng)切應(yīng)力S<S0時(shí)，形成向上彎曲的曲線；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)（pseudoplasticflow）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（apparentviscosity）。假塑性流動(dòng)的特點(diǎn)：沒(méi)屈伏值；過(guò)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)（dilatantflow）脹性流動(dòng)曲線曲線經(jīng)過(guò)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（dilatantflowcurve）。（d）脹性流動(dòng)

脹性液體的流動(dòng)公式：D=Sn/

an<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(méi)屈伏值；過(guò)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)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)(thixotropicflow)

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(lái)的粘性。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(lái)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(guò)程所需時(shí)間較長(zhǎng)，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。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，稱之為粘彈性。

應(yīng)力緩和(stressrelaxation)：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(guò)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）雙重粘彈性模型（四）多重粘彈性模型詳見(jiàn)教材113-114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?rùn)滑性，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(guò)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)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(guò)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。混懸液在靜止?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(guò)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Chase提出混懸劑在貯藏過(guò)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(shuō)明，甘油的粘性作為懸浮粒子的助懸劑較為理想。如果從容器中倒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(wú)法使用。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-sistencycurve）：皂土具有非常顯著的滯后曲線，且在裝入膨潤(rùn)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(guò)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(guò)程中往往會(huì)受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(guò)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。

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