剪切应力和剪切速度课件.ppt

1、College of Pharmacy, Suzhou UniversitySaturday, April 23, 2022Chapter 14 Rheology流变学基础LIU YangYour site here第一节第一节 概述概述v流变学流变学(rheology)系指研究物体变形和流动的科系指研究物体变形和流动的科学，学，1929年由年由Bengham和和Crawford提出。提出。 v物体的二重性：物体在外力作用下可观察到变物体的二重性：物体在外力作用下可观察到变形和流动现象。形和流动现象。 流变性：物体在外力作用下表流变性：物体在外力作用下表现出来的变形性和流动性。现出来的变形性和

2、流动性。v流动是液体和气体的主要性质之一，流动的难流动是液体和气体的主要性质之一，流动的难易程度与流体本身的粘性有关，因此流动可视易程度与流体本身的粘性有关，因此流动可视为一种非可逆性变形过程。为一种非可逆性变形过程。一、流变学的基本概念一、流变学的基本概念（一）流变学研究内容（一）流变学研究内容 Your site herev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。v流体的层流速度不同，形成速度梯度，或称剪流体的层流速度不同，形成速度梯度，或称剪切速度。速度梯度的产生是由于流动阻力的存切速度。速度梯度的产生是由于流动阻力的存在，

3、流动较慢的液层阻滞流动较快液层的运动。在，流动较慢的液层阻滞流动较快液层的运动。v使各液层间产生相对运动的外力叫剪切力，在使各液层间产生相对运动的外力叫剪切力，在单位液层面积（单位液层面积（A）上所需施加的这种力称为）上所需施加的这种力称为剪切应力，简称剪切力。剪切应力，简称剪切力。（二）剪切应力和剪切速度（二）剪切应力和剪切速度 Your site here二、流变学在药剂学中的应用二、流变学在药剂学中的应用v流变学理论对乳剂、混悬剂、半固流变学理论对乳剂、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、质量控制等研究具有重要意制备、质量控制等研究具有重要意义义

4、。Your site here（一）流变学在混悬剂中的应用（一）流变学在混悬剂中的应用v混悬剂静止状态时的剪切应力忽略不计混悬剂静止状态时的剪切应力忽略不计，但振但振摇后把制剂从容器中倒出时存在较大的剪切速摇后把制剂从容器中倒出时存在较大的剪切速度。度。v混悬剂在贮藏过程中若剪切速度小，则显示较混悬剂在贮藏过程中若剪切速度小，则显示较高的粘性；若剪切速度大，则显示较低的粘性。高的粘性；若剪切速度大，则显示较低的粘性。v混悬剂在振摇、倒出及铺展时能自由流动是形混悬剂在振摇、倒出及铺展时能自由流动是形成理想的混悬剂的最佳条件成理想的混悬剂的最佳条件。Your site here（二）流变学在乳剂中

5、的应用（二）流变学在乳剂中的应用v乳剂在制备和使用过程中经常会受到各种剪切乳剂在制备和使用过程中经常会受到各种剪切力的影响，大部分乳剂表现为非牛顿流动。力的影响，大部分乳剂表现为非牛顿流动。v在使用和制备条件下乳剂的特性是否适宜，主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决定。体现在乳剂铺展性、要由制剂的流动性决定。体现在乳剂铺展性、通过性、适应性等方面。通过性、适应性等方面。v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。Your site here（三）流变学在半固体制剂中的应用（三）流变学在半固体制剂中的应用v半固体制剂的处方组成发生变化

6、时可改变其流半固体制剂的处方组成发生变化时可改变其流变性质。变性质。v外界因素（如温度等）也对半固体制剂的流变外界因素（如温度等）也对半固体制剂的流变性质有影响。性质有影响。v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工艺过程优化的关键。备工艺过程优化的关键。Your site here流变学在药学中应用流变学在药学中应用 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

7、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. 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Your site here一、牛顿流动一、牛顿流动v理想的液体服从牛顿粘度法则理想的液体服从牛顿粘度法则(1687年，牛顿年，牛顿定律，定律，Newtonian eq

8、uation)， 即剪切应力即剪切应力S与与剪切速度剪切速度D成正比：成正比： S=F/A= D vD为剪切速度，为剪切速度，S为剪切应力，为剪切应力，F为为A面积上施面积上施加的力，加的力， 为粘度或粘度系数为粘度或粘度系数单位单位Pas，1Pas=10P(泊泊)，流度，流度(fluidity)： =1/ ,即粘度即粘度的倒数。的倒数。 运动粘度：粘度运动粘度：粘度 与同温度的密度与同温度的密度 之比值之比值( / ),再乘以再乘以106，单位，单位mm/s。第二节第二节 流变性质流变性质Your site here一、牛顿流动一、牛顿流动v牛顿液体：服从牛顿定律的液体。牛顿液体：服从牛顿定

9、律的液体。 v牛顿液体的特点：牛顿液体的特点： 一般为低分子的纯液体或稀溶液；一般为低分子的纯液体或稀溶液； 在一定温度下，牛顿液体的粘度在一定温度下，牛顿液体的粘度 为常数，它为常数，它只是温度的函数，随温度升高而减小。只是温度的函数，随温度升高而减小。Your site here二、非牛顿流动二、非牛顿流动v非牛顿液体非牛顿液体(nonNewtonian fluid):不符合牛顿定不符合牛顿定律的液体，如乳剂、混悬剂、高分子溶液、胶体律的液体，如乳剂、混悬剂、高分子溶液、胶体溶液、软膏以及固溶液、软膏以及固液的不稳定体系等。液的不稳定体系等。v 粘度曲线粘度曲线(viscosty curv

10、e)或流动曲线或流动曲线(flow curve):把切变速度把切变速度D随切应力随切应力S而变化的规律绘制成的而变化的规律绘制成的曲线。曲线。 流动方程式流动方程式(rheological equation):表示流表示流动曲线形状的数学关系式。动曲线形状的数学关系式。 v按非牛顿液体流动曲线为类型可将非牛顿液分为按非牛顿液体流动曲线为类型可将非牛顿液分为塑性流动、假塑性流动、胀性流动、触变流动。塑性流动、假塑性流动、胀性流动、触变流动。Your site here 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

11、体Your site here( (一一) )塑性流动塑性流动(plastic flow)v塑性流动：不过原点；有屈服值塑性流动：不过原点；有屈服值S0；当切应力；当切应力S S0时，剪切速度时，剪切速度D和剪切应力呈直线关系。和剪切应力呈直线关系。 v塑性塑性(plastisity) 屈服值屈服值(yield value)：引起塑性：引起塑性液体流动的最低切应力液体流动的最低切应力S0 。 v塑性粘度塑性粘度(plastic viscosity):塑性液体的粘度塑性液体的粘度 pl。 塑性液体的流动公式：塑性液体的流动公式：D=(S- S0)/ pl D为切变速度，为切变速度，S为切应力，为

12、切应力， S0 为屈服值，为屈服值， pl 为塑性粘度。为塑性粘度。 v在制剂中表现为塑性流动的剂型有浓度较高的在制剂中表现为塑性流动的剂型有浓度较高的乳剂、混悬剂、单糖浆、涂剂。乳剂、混悬剂、单糖浆、涂剂。Your site here塑性流体的结构变化示意图Your site here( (二二) )假塑性流动假塑性流动(pseudoplastic flow)v假塑性流动：没屈服值；过原点；剪切速度增假塑性流动：没屈服值；过原点；剪切速度增大，形成向下弯的上升曲线，粘度下降，液体大，形成向下弯的上升曲线，粘度下降，液体变稀。变稀。v假塑性液体的流动公式：假塑性液体的流动公式：D=Sn/ a

13、或或 log D=log 1/ a +nlog S D为剪切速度；为剪切速度；S为剪切应力；为剪切应力； a 为表观粘度为表观粘度(随切变速度的不同而不同）；随切变速度的不同而不同）；n1， a 随随S增加而增加。增加而增加。 v在制剂中表现为假塑性流动的剂型有某些亲水在制剂中表现为假塑性流动的剂型有某些亲水性高分子溶液及微粒分散体系处于絮凝状态的性高分子溶液及微粒分散体系处于絮凝状态的液体。液体。Your site here假塑性流体的结构变化示意图假塑性流体的结构变化示意图Your site here( (三三) )胀性流动胀性流动(dilatant flow)v胀性流动：没屈服值；过原点

14、；剪切速度很小胀性流动：没屈服值；过原点；剪切速度很小时，液体流动速度较大，当剪切速度逐渐增加时，液体流动速度较大，当剪切速度逐渐增加时，液体流动速度逐渐减小，液体对流动的阻时，液体流动速度逐渐减小，液体对流动的阻力增加，表观粘度增加，流动曲线向上弯曲。力增加，表观粘度增加，流动曲线向上弯曲。 v 在制剂中表现为胀性流动的剂型为含有大量固在制剂中表现为胀性流动的剂型为含有大量固体微粒的高浓度混悬剂如体微粒的高浓度混悬剂如50%淀粉混悬剂、糊淀粉混悬剂、糊剂等。剂等。Your site here胀性流体的结构变化示意图胀性流体的结构变化示意图Your site here( (四四) )触变流动触

15、变流动(thixotropic flow)v随着剪切应力增大，粘度下降，剪切应力消除后随着剪切应力增大，粘度下降，剪切应力消除后粘度在等温条件下缓慢地恢复到原来状态的现象粘度在等温条件下缓慢地恢复到原来状态的现象称为触变性。称为触变性。v产生触变的原因：对流体施加剪切力后，破坏了产生触变的原因：对流体施加剪切力后，破坏了液体内部的网状结构，当剪切力减小时，液体又液体内部的网状结构，当剪切力减小时，液体又重新恢复原有结构，恢复过程所需时间较长，因重新恢复原有结构，恢复过程所需时间较长，因而触变流动曲线中上行线和下行线就不重合。而触变流动曲线中上行线和下行线就不重合。v 触变流动的特点：等温的溶胶

16、和凝胶的可逆转换。触变流动的特点：等温的溶胶和凝胶的可逆转换。 塑性流体、假塑性流体、胀性流体中多数具有触塑性流体、假塑性流体、胀性流体中多数具有触变性。变性。Your site here( (五五) )粘弹性粘弹性(viscoelasticity)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)和弹性和弹性(elasticity)双重特性，称之为粘弹性双重特性，称之为粘弹性(viscoelasticity)。 v物质被施加一定的压力而变形，并使其保持一定物质被施加一定的压力而变形，并使其保持一定应力时，应力随时间而减少，此现象称为应力缓应力时，应力随时间而减少，此现象称为应力缓和和(stress relaxation) 。 v对物质附加一定的重量时，表现为一定的伸展性对物质附加一定的重量时，表现为一定的伸展性或形变，而且随时间变化，此现象称为蠕变性或形变，而且随时间变化，此现象称为蠕变性(creep)。Your site here第三节第三节 蠕变性质的测定方法蠕变性质的测定方法