流变学基础-ppt课件.ppt

1、流变学基础1ppt课件一、概述观察河中的流水：观察河中的流水：尽管水流方向一致，但水流速度却不尽管水流方向一致，但水流速度却不同，中心处的水流最快，靠近河岸水流较慢。同，中心处的水流最快，靠近河岸水流较慢。因此，在流速不太快时，可以将流动着的液体视为互相因此，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；由于各层的速度是不同的，所以平行移动的一个个液层；由于各层的速度是不同的，所以产生速度梯度产生速度梯度d d/dy/dy，这是流动的基本特征。，这是流动的基本特征。 因为有速度梯度存在，流动较慢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，的液层阻滞着流动较快液

2、层的运动，所以产生流动阻力。所以产生流动阻力。y y流动时形成速度梯度流动时形成速度梯度2ppt课件一、概述流变学流变学(Rheology)(Rheology)是研究材料变形与流动的科学。是研究材料变形与流动的科学。流变性：物体在外力作用下所表现出的流变性：物体在外力作用下所表现出的变形变形与与流动。流动。流动和变形都是物体中质点流动和变形都是物体中质点相对运动相对运动的表现和结果。的表现和结果。1.1.变形：变形：弹性变形：可逆变形弹性变形：可逆变形 塑性变形：非塑性变形：非可逆变形可逆变形2.2.流动：流动：液体和气体的性质之一液体和气体的性质之一实际上，某些物质可以对外力表现出弹性和粘性

3、双重实际上，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特性（简称为粘弹性），这也是流变学的重要性质之一。一。 变形是理想固体弹性相关性质的表变形是理想固体弹性相关性质的表现，对固体施加外力时，固体产生现，对固体施加外力时，固体产生大小或形状的改变，当外力去除后，大小或形状的改变，当外力去除后，固体恢复原状的性质称为弹性。固体恢复原状的性质称为弹性。如果外力较大，当它的作用如果外力较大，当它的作用停止时，所引起的形变并不停止时，所引起的形变并不完全消失，而有剩余形变，完全消失，而有剩余形变，称为塑性形变。称为塑性形变。当外力作用于水、液体石蜡当外力作用于

4、水、液体石蜡等液体时，液体产生不可逆等液体时，液体产生不可逆的变形，即出现流动。的变形，即出现流动。流动的难易程度与本身的黏流动的难易程度与本身的黏性有关。性有关。3ppt课件二、流变性质按流动和变形分为两类：牛顿流体牛顿流体纯液体、大多数的纯液体、大多数的低分子溶液低分子溶液非牛顿流体非牛顿流体符合牛顿黏性定律符合牛顿黏性定律不符合牛顿黏性定律不符合牛顿黏性定律乳剂、混悬液、软乳剂、混悬液、软膏剂等膏剂等4ppt课件（一）牛顿流体理论基础理论基础：牛顿认为流体是由许多极：牛顿认为流体是由许多极薄的薄的液层液层组成。组成。当在应力当在应力F F作用下，液体相邻的两层间作用下，液体相邻的两层间作

5、相对运动时会产生内摩擦力，由于作相对运动时会产生内摩擦力，由于内摩擦力的存在将运动依次传到各层内摩擦力的存在将运动依次传到各层流体，各层的流动速度依次递减，如流体，各层的流动速度依次递减，如图。图。速度梯度速度梯度D=dv/dyD=dv/dy，称为切变速率。，称为切变速率。流体流动时在流体流动时在单位面积上所施加的力单位面积上所施加的力称为称为切变应力切变应力，用，用S S表示。表示。牛顿粘性定律牛顿粘性定律：切变应力：切变应力S S与切变速率与切变速率D D成正比，系数成正比，系数（aitaaita）就是就是流体的流体的粘度粘度，或称为动力粘度。是表征流体，或称为动力粘度。是表征流体粘性的粘

6、性的物理常数物理常数。DS牛顿黏性定律牛顿黏性定律5ppt课件（一）牛顿流体牛顿流体的切变速率牛顿流体的切变速率D D与切变应与切变应力力S S间成直线关系，且直线过原间成直线关系，且直线过原点。点。为切变应力与切变速率之比，为切变应力与切变速率之比，定义为流体的粘度或动力粘度，定义为流体的粘度或动力粘度，单位单位MPa.sMPa.s，是表征流体黏性的，是表征流体黏性的物理常数。温度越高，物理常数。温度越高， 越小。越小。6ppt课件7ppt课件8ppt课件（二）非牛顿流体许多制剂的流动均不符合牛顿黏性定律，即切变应力和切变速率之间无线性函数关系，如高分子溶液、胶体、乳剂、混悬剂等，这些称为非

7、牛顿流体，该种流动现象称为非牛顿流动。非牛顿流动非牛顿流动塑性流动塑性流动假塑性流动假塑性流动胀性流动胀性流动触变流动触变流动高浓度的乳剂和混悬剂粒子絮凝时高浓度的乳剂和混悬剂粒子絮凝时高分子溶液高分子溶液含大量固体微粒的高浓度混悬液、糊剂含大量固体微粒的高浓度混悬液、糊剂凝胶、溶胶凝胶、溶胶9ppt课件（二）非牛顿流体1 1、塑性流动、塑性流动浓度较高的乳剂、混悬剂、单糖浆、涂浓度较高的乳剂、混悬剂、单糖浆、涂膜剂等。膜剂等。因强絮凝作用形成网状结构，具有因强絮凝作用形成网状结构，具有类似弹性固体性质，切变应力较小类似弹性固体性质，切变应力较小时不发生流动，表现为弹性形变，时不发生流动，表现

8、为弹性形变，当切变应力达到屈服值时，网状结当切变应力达到屈服值时，网状结构被破坏，液体开始流动，构被破坏，液体开始流动，且切变且切变速度速度D和切变应力和切变应力S呈直线关系呈直线关系为屈服值00-SSSDS0为屈服值10ppt课件（二）非牛顿流体2 2、假塑性流动、假塑性流动高分子溶液如，阿拉伯胶、甲基纤高分子溶液如，阿拉伯胶、甲基纤维素、西黄蓍胶、海藻酸钠等。维素、西黄蓍胶、海藻酸钠等。流动曲线从原点开始，没有流动曲线从原点开始，没有屈服值，粘度随切变速率的屈服值，粘度随切变速率的增大而下降。增大而下降。越显著。越大，假塑性流动特征时，为牛顿流体，为表观粘度为指数nnnSDaan1,切稀！

9、越切越稀！切稀！越切越稀！11ppt课件（二）非牛顿流体2、假塑性流动、假塑性流动对高分子溶液施加切变应力时，其长链高分子沿流动方对高分子溶液施加切变应力时，其长链高分子沿流动方向呈线状排列，溶剂分子也逐渐脱离高分子，使流动阻向呈线状排列，溶剂分子也逐渐脱离高分子，使流动阻力减小，粘度下降；力减小，粘度下降；对于处于絮凝状态粗分散体系，由于粒子间作用力较弱，对于处于絮凝状态粗分散体系，由于粒子间作用力较弱，难以抵抗切变应力的作用，使絮凝状态破坏而粘度降低。难以抵抗切变应力的作用，使絮凝状态破坏而粘度降低。12ppt课件（二）非牛顿流体3 3、胀性流动、胀性流动含含大量固体微粒大量固体微粒的高浓

10、度混悬液、糊剂的高浓度混悬液、糊剂1)曲线通过原点；2)随S增大，增大。有切变稠化现象，所以剪切应力大流动性差；3)其流动公式为D=Sn/ a 其中n1;4)原因1nSDan切稠！越切越粘！切稠！越切越粘！13ppt课件（二）非牛顿流体3 3、胀性流动、胀性流动原因：原因：具有胀性流动的液体静置时，粒子紧密靠拢，间隙很具有胀性流动的液体静置时，粒子紧密靠拢，间隙很小，间隙内被分散介质填充，在低切变速率时，粒子小，间隙内被分散介质填充，在低切变速率时，粒子一起滑动，流体的粘度较小，流动性好；一起滑动，流体的粘度较小，流动性好；当切变应力增大，粒子易结成团块，导致粒子间产生当切变应力增大，粒子易结

11、成团块，导致粒子间产生较大的间隙，且分散介质难以填满间隙，因此，流动较大的间隙，且分散介质难以填满间隙，因此，流动阻力增大，粘度增大。阻力增大，粘度增大。14ppt课件（二）非牛顿流体4 4、触变流动、触变流动大多数非牛顿流大多数非牛顿流体均具有触变性，凝胶、溶胶为典体均具有触变性，凝胶、溶胶为典型触变性体系。型触变性体系。当对某种软膏剂进行搅拌时，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。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）。15ppt课件（二）非牛顿流体4 4、触变流动、触变流动大多数非

12、牛顿流大多数非牛顿流体均具有触变性，凝胶、溶胶为典体均具有触变性，凝胶、溶胶为典型触变性体系。型触变性体系。特点：1)上升曲线与下降曲线不重合，形成环形滞后曲线；2)上升和下降曲线包围成一定面积，称为滞后面积，这种现象称为滞后现象；3)滞后面积是衡量触变性大小定量指标，其大小由切变时间和切变速度决定。16ppt课件（二）非牛顿流体4 4、触变流动、触变流动4)4)原因：原因：这种在切变应力作用下，粘度随切变速率改变而改变、而在切变应力消除后粘度在等温条件下又恢复原来状态的性质为触变性。触变性。触变体系常常由不对称的粒子或大分子组成由不对称的粒子或大分子组成，粒子或大分子通常不会立即适应新的切变

13、条件，施加切变应力后，体系的结构被破坏，当切变应力解除后，结构会逐渐恢复，但需要一定时间。施加切变应力的时间长短会影响结构破坏的程度，因此直接影响体系恢复原来状态所需的时间。17ppt课件（三）粘弹性与蠕变性黏弹性(viscoelasticity)：高分子物质或分散体系，具有黏性(viscosity)和弹性(elasticity)双重特性，这种性质称为黏弹性。应力缓和(stress relaxation)：物质被施加一定的压力而变形，并使其保持一定变形时，应力随时间而减小，此现象称为应力缓和。蠕变性(creep)：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

14、很小，把这种现象称为蠕变性。18ppt课件三、流体流变性质的测定测定流体的粘度是研究和评价流变性最基本和最常用的方法。包括：（一）牛顿流体粘度（采用一点法）（采用一点法）（二）非牛顿流体粘度（采用多点法）（采用多点法）毛细管粘度计落球粘度计圆锥平板粘度计转筒粘度计19ppt课件落球粘度计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）。20ppt课件落球粘度计是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，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

15、，可计算得到牛顿液体的粘度。BSStfb)(t球落下时经过两个标记球落下时经过两个标记线所需时间（线所需时间（sec）；）；Sb、Sf在测定温度条件下在测定温度条件下球和液体的比重；球和液体的比重；B球本身固有的常数。球本身固有的常数。 21ppt课件旋转粘度计旋转粘度计有双重圆筒形、圆锥圆板型和平行圆板型三种。测定原理：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。2Kr1KMS K K1 1、K K2 2常数。常数。设设为旋转速度，即切变速度。为旋转速度，即切变速度。双重圆筒型

16、主要用于测定低粘双重圆筒型主要用于测定低粘度液体，度液体，平行圆板型用于测定高粘度液平行圆板型用于测定高粘度液体。体。22ppt课件(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 图图-旋转粘度计工作原理示意图旋转粘度计工作原理示意图 23ppt课件圆锥平板粘度计法 Ferranti-Shirley粘度计为圆锥平板粘度计的一种类型。如图所示。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。 24ppt课件圆锥平板粘度计法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

17、变速度作图，以下面的公式即可以计算得到试验液的粘度。C C常数；常数；T T转矩；转矩；V V每分钟的旋转数，即圆锥的旋转速度每分钟的旋转数，即圆锥的旋转速度 VTC 25ppt课件圆锥平板粘度计法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。 VTTCUf26ppt课件圆锥平板粘度计法圆锥圆锥平板粘度计与圆筒粘度计比较有以下几个优点：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

18、不产生栓塞。（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度，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。而且适用于微量试验液的测定并具有良好的重现性。27ppt课件四、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乳剂、混悬剂、半固体制剂等的剂型设计、处方组成以及制备、质量控制等进行评价。（一）流变学在混悬剂中的应用（二）流变学在乳剂中的应用（三）流变学在半固体制剂中的应用28ppt课件（一）流变学在混悬剂中的

19、应用混悬液在静止状态下所产生的剪切应力，如果只考虑悬浮粒子的沉降，由于其外力很小，可以忽略不计，但经过振摇后把制剂从容器中倒出时可以观察到存在较大的剪切速度。Mervine和Chase提出，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。因此，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。29ppt课件（一）流变学在混悬剂中的应用如图，表现假塑性流动如图，表现假塑性流动的西黄蓍胶、海藻酸钠、的西黄蓍胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠等物质羧甲基纤维素钠等物质具有上述性能。具有上述性能。图中用具有牛顿流体性图中用具有牛顿流体性质的甘油为对照组进行质

20、的甘油为对照组进行实验，结果说明，甘油实验，结果说明，甘油的粘性作为悬浮粒子的的粘性作为悬浮粒子的助悬剂较为理想。助悬剂较为理想。触变性物质在静置状态触变性物质在静置状态下可形成凝胶，经振摇下可形成凝胶，经振摇后转变为液状。后转变为液状。30ppt课件（一）流变学在混悬剂中的应用图中，白皂土具有非常图中，白皂土具有非常显著的滞后曲线，膨润显著的滞后曲线，膨润土具有较大的触变性，土具有较大的触变性，而白皂土和而白皂土和CMC-NaCMC-Na的混的混合液曲线，则表现出假合液曲线，则表现出假塑性流动和触变性双重塑性流动和触变性双重性质。性质。因此，通过调节分散液因此，通过调节分散液的混合比例，可以

21、制成的混合比例，可以制成理想的混悬剂的基质。理想的混悬剂的基质。5混悬型水溶液的流变学流动曲线混悬型水溶液的流变学流动曲线31ppt课件（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剪切力的影响。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决定。为了使皮肤科用的制剂或化妆品达到其质量标准，必须调节和控制好制剂的铺展性。另外，为了使注射用乳剂容易通过注射用针头，或使乳剂的特性适合于工业化生产工艺的需要，掌握制剂处方对乳剂流动性的影响非常重要。32ppt课件（二）流变学在乳剂中的应用粘性的影响因素：分散相连续相乳化剂33ppt课件（二）流变学在乳剂中的应用分散相：与分散

22、相相关的主要因素有相的体积比、粒度分布、内相固有的粘度等。分散相体积：粒度分布1）分散相体积比相对较低（）分散相体积比相对较低（0.05以下）时，以下）时，其系统表现为牛顿流动；随着体积比增加，其系统表现为牛顿流动；随着体积比增加，系统的流动性下降，表现为假塑性流动；系统的流动性下降，表现为假塑性流动；2）体积比较高时，转变为塑性流动；）体积比较高时，转变为塑性流动；3）体积比接近）体积比接近0.74时产生相转移，粘度显著时产生相转移，粘度显著增大，而且平均粒径变小。增大，而且平均粒径变小。粒径较大时，在同样的平均粒径条件下，粒粒径较大时，在同样的平均粒径条件下，粒度分布宽的系统比粒度分布窄的

23、系统粘度低。度分布宽的系统比粒度分布窄的系统粘度低。剪切速度增大时粘度降低，是由于液滴间的剪切速度增大时粘度降低，是由于液滴间的距离增大而导致。距离增大而导致。34ppt课件（二）流变学在乳剂中的应用粘性的影响因素：乳化剂乳化剂的类型会影响粒子的絮凝作用乳化剂的类型会影响粒子的絮凝作用和粒子间的引力，从而改变其流动性。和粒子间的引力，从而改变其流动性。在任何系统，乳化剂的浓度越高，制在任何系统，乳化剂的浓度越高，制剂的粘度越大。剂的粘度越大。35ppt课件（三）流变学在半固体制剂中的应用36流变学性质流变学性质基质的性质基质的性质和和软膏处方软膏处方 理想软膏剂理想软膏剂含量均匀、涂布性、含量

24、均匀、涂布性、附着性、易于清除；附着性、易于清除；最佳粘性最佳粘性36ppt课件（三）流变学在半固体制剂中的应用如图，为乳剂性基质如图，为乳剂性基质亲水性凡士林以及含有水亲水性凡士林以及含有水分的亲水性凡士林溶液的分的亲水性凡士林溶液的流动曲线。流动曲线。当亲水性凡士林中加入水，当亲水性凡士林中加入水，屈服点（下降曲线延伸与屈服点（下降曲线延伸与横轴相交的点）由横轴相交的点）由520g520g下下降到降到320g320g。同时，亲水性凡士林的塑同时，亲水性凡士林的塑性粘度（下降曲线斜率的性粘度（下降曲线斜率的倒数）和触变性随着水的倒数）和触变性随着水的加入而增大。加入而增大。37ppt课件含不

25、同比例调整剂的凡士林基质的流变学性质组成组成流变性质流变性质凡士凡士林林液体液体石蜡石蜡白白蜡蜡屈服值屈服值dyne/cm2粘度粘度p触变系数触变系数dynes/cm21800202740012010029001014200604031000099003823490100400030215802009003126670300800231738 38ppt课件温度对软膏基质塑性粘度的影响39温度对软膏基质塑性粘温度对软膏基质塑性粘度的影响度的影响 从右图中可以看出，从右图中可以看出，温度对凡士林和液体石温度对凡士林和液体石蜡两种基质流动性的影蜡两种基质流动性的影响相同。响相同。 39ppt课件温

26、度对软膏基质触变性的影响40 温度对软膏基质触变性的影响温度对软膏基质触变性的影响由图可得温度对两种基质触变性影由图可得温度对两种基质触变性影响完全不同。响完全不同。 原因：原因：随温度随温度，凡士林的蜡状，凡士林的蜡状骨架发生熔融解，而液体石蜡骨架发生熔融解，而液体石蜡- -聚乙聚乙烯复合型软膏基质，在温度发生变化烯复合型软膏基质，在温度发生变化的条件下能够维持树脂状结构。的条件下能够维持树脂状结构。 在制备制剂时，可根据上述理论在制备制剂时，可根据上述理论和曲线设计具有最佳粘度特性的软膏和曲线设计具有最佳粘度特性的软膏处方和制备工艺过程。处方和制备工艺过程。温度（温度（）凡士凡士林林聚乙聚

27、乙烯复烯复合物合物触触变变系系数数（dyneseccm1） 40ppt课件流变学在药学中的应用领域液体液体半固体半固体固体固体制备工艺制备工艺1.混合混合1.皮肤表面上制剂皮肤表面上制剂的铺展性和粘附性的铺展性和粘附性1.压片或填充胶压片或填充胶囊时粉体的流动囊时粉体的流动1.装量的生产能装量的生产能力力2.由剪切引起的分由剪切引起的分散系粒子的粉碎散系粒子的粉碎2.从瓶或管状容器从瓶或管状容器中制剂的挤出中制剂的挤出2.粉末状或颗粒粉末状或颗粒状固体充填性状固体充填性2.操作效率的提操作效率的提高高3.容器中的液体的容器中的液体的流出和流入流出和流入3.与液体能够混合与液体能够混合的固体量的固体量4.通过管道输送液通过管道输送液体的制剂过程体的制剂过程4.从基质中药物的从基质中药物的释放释放5.分散体系的物理分散体系的物理稳定性稳定性41ppt课件