药剂学第十四章流变学基础ppt课件

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1、l一掌握流变学的根本概念一掌握流变学的根本概念l二熟习流变学在药剂学中的运用、牛二熟习流变学在药剂学中的运用、牛顿流动和非牛顿流动顿流动和非牛顿流动l三了解流体的触变流动性和粘弹性、三了解流体的触变流动性和粘弹性、制剂流变性的评价方法制剂流变性的评价方法 流变学出如今流变学出如今2020世纪世纪2020年代。学者们在研讨橡胶、年代。学者们在研讨橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金属等工业资料；塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金属等工业资料；岩石、土、石油、矿物等地质资料；以及血液、肌肉岩石、土、石油、矿物等地质资料；以及血液、肌肉骨骼等生物资料的性质过程中，发现运用古典弹性实骨骼等生物资料的性

2、质过程中，发现运用古典弹性实际、塑性实际和牛顿流体实际已不能阐明这些资料的际、塑性实际和牛顿流体实际已不能阐明这些资料的复杂特性，于是就产生了流变学的思想。英国物理学复杂特性，于是就产生了流变学的思想。英国物理学家麦克斯韦和开尔文很早就认识到资料的变化与时间家麦克斯韦和开尔文很早就认识到资料的变化与时间存在严密联络的时间效应。存在严密联络的时间效应。经过长期探求，人们终于得知，一切资料都具有时间经过长期探求，人们终于得知，一切资料都具有时间效应，于是出现了流变学，并在效应，于是出现了流变学，并在2020世纪世纪3030年代后得到蓬年代后得到蓬勃开展。勃开展。19291929年，美国在年，美国在

3、BinghamBingham教授的倡议下，创建教授的倡议下，创建流变学会；流变学会；19391939年，荷兰皇家科学院成立了以伯格斯教年，荷兰皇家科学院成立了以伯格斯教授为首的流变学小组；授为首的流变学小组；19401940年英国出现了流变学家学会。年英国出现了流变学家学会。当时，荷兰的任务处于领先位置，当时，荷兰的任务处于领先位置，19481948年国际流变学会年国际流变学会议就是在荷兰举行的。法国、日本、瑞典、澳大利亚、议就是在荷兰举行的。法国、日本、瑞典、澳大利亚、奥地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利时等国也先后成奥地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利时等国也先后成立了流变学会。立了流变学会。

4、流变学流变学(rheology)(rheology)指研讨物体变形和流动的科指研讨物体变形和流动的科学学流变性：物体在外力作用下表现出来的变形性流变性：物体在外力作用下表现出来的变形性和流动性。和流动性。弹性变形弹性变形elastic deformation)elastic deformation)：可逆变形：可逆变形塑性变形塑性变形(plastic deformation)(plastic deformation)：非可逆变：非可逆变形形第一节第一节 概述概述流变学的研讨范围流变学的研讨范围 橡胶条的拉伸与紧缩，轮胎橡胶接触面的回复橡胶条的拉伸与紧缩，轮胎橡胶接触面的回复 化装品在皮肤上的涂

5、抹及觉得，牙膏的挤出特性及在化装品在皮肤上的涂抹及觉得，牙膏的挤出特性及在牙刷上的稳定性牙刷上的稳定性 模具内部塑料热熔体的流动模具内部塑料热熔体的流动 涂料在墙面上的垂挂性涂料在墙面上的垂挂性 番茄酱的倾倒和稳定，乳制品的特性番茄酱的倾倒和稳定，乳制品的特性 熔体纤维纺丝熔体纤维纺丝 涂料的涂装，喷塑还是涂刷涂料的涂装，喷塑还是涂刷 胶粘剂的粘合胶粘剂的粘合 甚至山脉的流动甚至山脉的流动!流体的流动类型，流体的流动类型，首先由雷诺首先由雷诺(Reynolds)(Reynolds)用实验用实验进展了察看。喇叭进展了察看。喇叭状的玻璃管浸没在状的玻璃管浸没在透明的水槽内，管透明的水槽内，管出口有

6、调理水流量出口有调理水流量用的阀门，水槽上用的阀门，水槽上方的小瓶内充有方的小瓶内充有有色液体有色液体,实验时，有色液体从瓶中流出，经喇叭实验时，有色液体从瓶中流出，经喇叭口中心处的针状细管流入管内。从有色流体的流口中心处的针状细管流入管内。从有色流体的流动情况可以察看到管内水流中质点的运动情况动情况可以察看到管内水流中质点的运动情况.二剪切应力与剪切速度二剪切应力与剪切速度力力粘度粘度(viscosity):它表示物质它表示物质在流动时内摩擦力的大小在流动时内摩擦力的大小为使液层能维持一定的速度流动为使液层能维持一定的速度流动,必需施加一个必需施加一个与阻力相等的反方向力与阻力相等的反方向力

7、,在单位液层面积上所施在单位液层面积上所施加的这种力称为剪切应力加的这种力称为剪切应力S(shearing force):S(shearing force):简称切力简称切力.单位为单位为N.m-2N.m-2Shear stress is the stress 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 surrou

8、nding rock.切变速度切变速度D(shearing rate):速度梯度速度梯度.单位为单位为:S-1大小等于两液层间的速度差除以两液层间的间隔大小等于两液层间的速度差除以两液层间的间隔.Shear rate is the rate of change of velocity at which one layer of fluid passes over an adjacent layer.流变学实际对乳剂、混悬剂、半固流变学实际对乳剂、混悬剂、半固体制剂等剂型设计、处方组成以及体制剂等剂型设计、处方组成以及制备、质量控制等研讨具有重要意制备、质量控制等研讨具有重要意义。义。u混悬剂静

9、止形状时的剪切应力忽略不计，但混悬剂静止形状时的剪切应力忽略不计，但振摇后把制剂从容器中倒出时存在较大的剪振摇后把制剂从容器中倒出时存在较大的剪切速度。切速度。u混悬剂在贮藏过程中假设剪切速度小，那么混悬剂在贮藏过程中假设剪切速度小，那么显示较高的粘性；假设剪切速度大，那么显显示较高的粘性；假设剪切速度大，那么显示较低的粘性。示较低的粘性。u混悬剂在振摇、倒出及铺展时能自在流动是混悬剂在振摇、倒出及铺展时能自在流动是构成理想的混悬剂的最正确条件。构成理想的混悬剂的最正确条件。乳剂在制备和运用过程中经常会遭到各种剪乳剂在制备和运用过程中经常会遭到各种剪切力的影响，大部分乳剂表现为非牛顿流动。切力

10、的影响，大部分乳剂表现为非牛顿流动。在运用和制备条件下乳剂的特性能否适宜，在运用和制备条件下乳剂的特性能否适宜，主要由制剂的流动性决议。表达在乳剂铺展主要由制剂的流动性决议。表达在乳剂铺展性、经过性、顺应性等方面。性、经过性、顺应性等方面。掌握制剂处方对乳剂流动性的影响非常重要。掌握制剂处方对乳剂流动性的影响非常重要。l半固体制剂的处方组成发生变化时可改动其流半固体制剂的处方组成发生变化时可改动其流变性质。变性质。l外界要素如温度等也对半固体制剂的流变外界要素如温度等也对半固体制剂的流变性质有影响。性质有影响。l具有适宜的粘度是半固体制剂的处方设计和制具有适宜的粘度是半固体制剂的处方设计和制备

11、工艺过程优化的关键。备工艺过程优化的关键。流变学在药学中运用流变学在药学中运用 液体液体 半固体半固体 固体固体 制备工艺制备工艺a.混合混合 皮肤表面上制剂的皮肤表面上制剂的 压片或填充胶囊时压片或填充胶囊时 装量的生产能力装量的生产能力 铺展性和粘附性铺展性和粘附性 粉体的流动粉体的流动 b.由剪切引起的由剪切引起的 从瓶或管状容器中从瓶或管状容器中 粉末状或颗粒状粉末状或颗粒状 操作效率的提高操作效率的提高 分散系粒子的粉碎分散系粒子的粉碎 制剂的挤出制剂的挤出 固体充填性固体充填性c.容器中的液体容器中的液体 与液体能够混合的与液体能够混合的的流出和流入的流出和流入 固体量固体量 d.

12、通过管道输送通过管道输送 从基质中药物的释放从基质中药物的释放液体的制剂过程液体的制剂过程 e.分散体系的物理分散体系的物理稳定性稳定性一、牛顿流动一、牛顿流动牛顿流体牛顿流体:在层流条件下的切在层流条件下的切应力应力S S与切变速度成正比。纯与切变速度成正比。纯液体或大多数低分子溶液液体或大多数低分子溶液).).牛顿公式只需在层流条件下才牛顿公式只需在层流条件下才适用。适用。第二节流变性质第二节流变性质DAFSSD A-牛顿流体；牛顿流体；B-塑性流体；塑性流体；C-假塑性流体；假塑性流体；D-胀性流体；胀性流体；E-触变性流体触变性流体二二、非牛顿流体、非牛顿流体(non-Newtonia

13、n fluid)射流胀大 爬杆效应爬杆效应 无管虹吸无管虹吸 湍流减阻湍流减阻 上图为未上图为未添加聚乙添加聚乙烯氧化物烯氧化物的情形的情形 以下图为以下图为添加聚乙添加聚乙烯氧化物烯氧化物后的情形后的情形 二二、非牛顿流体、非牛顿流体(non-Newtonian fluid)(一一)塑性流动塑性流动(plastic flow)(plastic flow)也叫也叫BinghamBingham体体假设一个物体所受的力超越某一限制假设一个物体所受的力超越某一限制,其外形的其外形的改动是永久的改动是永久的,那么该物体便是可塑的那么该物体便是可塑的.对于流对于流体，当外加切应力较小时不流动只发生弹性形

14、体，当外加切应力较小时不流动只发生弹性形变变;而一旦切应力超越某一限制时而一旦切应力超越某一限制时,体系的变形体系的变形就是永久的就是永久的,表现出可塑性表现出可塑性,故称为塑性流体故称为塑性流体.塑性体流变曲线为直线塑性体流变曲线为直线,不经过原点不经过原点,但与切应但与切应力轴相交一点力轴相交一点fBfB使塑性体开场流动所需加的临界切应力即为屈服值使塑性体开场流动所需加的临界切应力即为屈服值yield value)(二二)假塑性流体假塑性流体(pseudo plastic flow)体系没有屈服值体系没有屈服值,流变曲线经过原点流变曲线经过原点,黏度随切黏度随切速添加而减少速添加而减少.显

15、示这种流动性质的流体即为假显示这种流动性质的流体即为假塑性流体塑性流体.从流动曲线某一特定点切线斜率的倒数求得的从流动曲线某一特定点切线斜率的倒数求得的黏度称为表观黏度黏度称为表观黏度(happ).(happ).表观黏度一定要标明表观黏度一定要标明测定时的切变速度测定时的切变速度.通常高切力的流动曲线趋于线性通常高切力的流动曲线趋于线性,此时黏度最低此时黏度最低.表观黏度表观黏度假设性指数假设性指数n=1时时,牛顿流体牛顿流体越大越大,非牛顿性愈强非牛顿性愈强anSD假塑性流体的构造变化表示图假塑性流体的构造变化表示图(三三)胀性流动胀性流动(dilatant flow)流体的黏度随切变速度的

16、添加而添加流体的黏度随切变速度的添加而添加由于这种流体在切变过程中体积添加由于这种流体在切变过程中体积添加,故称之故称之为胀性流体为胀性流体.胀性流体还具有切变增稠的作用胀性流体还具有切变增稠的作用.n1胀性体系机理表示图胀性体系机理表示图在切变应力为零的情况下在切变应力为零的情况下,颗粒全颗粒全是散开的是散开的,故黏度较小故黏度较小.切力大时切力大时,许多颗粒被搅在一同许多颗粒被搅在一同,构成团块构成团块,但但大大添加了流动阻力大大添加了流动阻力,搅得越猛烈搅得越猛烈结合越多结合越多,阻力也越大阻力也越大,也就显得越也就显得越稠稠,直至最终变成糊状直至最终变成糊状,流动停顿流动停顿.这种作用

17、是可逆的这种作用是可逆的,应力解除应力解除,流动流动性会重新建立性会重新建立anSD三、三、触变性触变性(thixotropy)触变性即经过接触而变化触变性即经过接触而变化.随切变应力添加黏度随切变应力添加黏度下降下降,切应力消除后黏度在等温条件下缓慢地切应力消除后黏度在等温条件下缓慢地恢复原来形状的景象恢复原来形状的景象-触变性触变性触变流型的滞后圈触变流型的滞后圈假塑性资料的触变假塑性资料的触变-流变图流变图胀性物质的触变流变图胀性物质的触变流变图v高分子物质或分散体系具有粘性高分子物质或分散体系具有粘性(viscosity)和弹和弹性性(elasticity)双重特性，称之为粘弹性双重特

18、性，称之为粘弹性(viscoelasticity)。v物质被施加一定的压力而变形，并使其坚持一定物质被施加一定的压力而变形，并使其坚持一定应力时，应力随时间而减少，此景象称为应力缓应力时，应力随时间而减少，此景象称为应力缓和和(stress relaxation)。v对物质附加一定的分量时，表现为一定的伸展性对物质附加一定的分量时，表现为一定的伸展性或形变，而且随时间变化，此景象称为蠕变性或形变，而且随时间变化，此景象称为蠕变性(creep)。将弹性模量为将弹性模量为G的弹簧与粘度为的弹簧与粘度为的粘壶串联，即为的粘壶串联，即为麦克斯韦尔模型麦克斯韦尔模型 当施加应力当施加应力S时，形变等于弹

19、簧与粘壶形变之和时，形变等于弹簧与粘壶形变之和SSoexp-t/松弛时间松弛时间等于应力松弛至起始应力的等于应力松弛至起始应力的1/e时所经的时时所经的时间。松弛时间越长，该模型越接近理想弹性体。间。松弛时间越长，该模型越接近理想弹性体。麦克斯韦尔模型可以描画应力松弛过程，但不能描画麦克斯韦尔模型可以描画应力松弛过程，但不能描画蠕变过程。蠕变过程。麦克斯韦尔模型麦克斯韦尔模型(二二)Voigt(或或Kelvin)模型模型将弹性模量为将弹性模量为G的弹簧与粘度为的弹簧与粘度为的粘壶并联，即为的粘壶并联，即为沃伊特模型。由于是并联，所以应力沃伊特模型。由于是并联，所以应力S等于弹簧及粘等于弹簧及粘

20、壶所接受的应力之和壶所接受的应力之和当施加一定的负荷时，即当施加一定的负荷时，即S=S0时的关系式经过对上时的关系式经过对上式积分得式积分得 式中，式中，=/G，表示形变量下降到全形变量的，表示形变量下降到全形变量的1/e所所需求的时间，叫滞延时间需求的时间，叫滞延时间(retavalation time)。表示在。表示在一定的负荷下伸展随时间的变化，反映蠕变的方程。一定的负荷下伸展随时间的变化，反映蠕变的方程。伸展的程度开场随时间而增大，到了一定的时间后伸展的程度开场随时间而增大，到了一定的时间后S0/G到达定值。到达定值。)exp(1)(0tGSr第三节第三节 蠕变性质的测定方法蠕变性质的

21、测定方法l测定使待测样品产生微小应变测定使待测样品产生微小应变rt时所需应时所需应力力S(t)牛顿流体牛顿流体 毛细管黏度计或落球黏毛细管黏度计或落球黏度计度计l测定对待测样品施加应力测定对待测样品施加应力S(t)时所产生的应变时所产生的应变程度程度rt l施加一定切变速度时，测定其应力施加一定切变速度时，测定其应力S(t)l非牛顿流体非牛顿流体 旋转黏度计旋转黏度计 圆锥平板黏度计圆锥平板黏度计 转转筒黏度计筒黏度计NoImageBtlb)(筒内装入实验液，用特制的转子进展旋转，调查筒内装入实验液，用特制的转子进展旋转，调查产生的弯曲景象，利用作用力求得产生的应力，产生的弯曲景象，利用作用力

22、求得产生的应力，粘度的表示方法主要是粘度的表示方法主要是3 种，种，运动粘度、特性粘数和动力粘度，相应的也采用运动粘度、特性粘数和动力粘度，相应的也采用3 种粘种粘度计来测试，其中测试动力粘度的就是旋转粘度计。度计来测试，其中测试动力粘度的就是旋转粘度计。动力粘度：面积各为动力粘度：面积各为1m2并相距并相距1m的两层流体，以的两层流体，以1m/s的速度作相对运动时所产生的内摩擦力。单位：的速度作相对运动时所产生的内摩擦力。单位：Pa.S(帕帕.秒秒)运动粘度运动粘度:即液体的动力粘度与同温度下该流体密度即液体的动力粘度与同温度下该流体密度之之比。用小写字母比。用小写字母v表示。表示。旋转粘度计的类型很多，包括旋转粘度计的类型很多，包括同轴双筒旋转粘度计、单筒旋同轴双筒旋转粘度计、单筒旋转粘度计、锥板粘度计、转子转粘度计、锥板粘度计、转子型旋转粘度计，可以根据实践型旋转粘度计，可以根据实践需求来选择不同类型的粘度计。需求来选择不同类型的粘度计。針入度針入度在指定温度和外力下滑在指定温度和外力下滑脂被插入的深度叫脂被插入的深度叫“针针入入 度。度。“针入度越大那么阐针入度越大那么阐明该光滑脂较软，品级明该光滑脂较软，品级上数字越小上数字越小“针入度针入度越大，越大，合格软膏剂针入度为合格软膏剂针入度为200240个单位个单位祝祝同同窗窗们们展展翅翅高高飞飞天天高高任任鸟鸟飞飞