1、1第一节第一节 概述概述一、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）流变学研究内容流变学流变学Rheology来源于希腊的来源于希腊的Rheos=Sream（流动）词语，由流动）词语，由Bingham和和Crawford为了表示为了表示液液体的流动体的流动和和固体的变形固体的变形现象而提出来的概念。现象而提出来的概念。流变学主要是研究物质的变形和流动的一门科学。流变学主要是研究物质的变形和流动的一门科学。2变形变形主要与固体的性质相关。对某一物体外主要与固体的性质相关。对某一物体外加压力，其内部的各部分的加压力，其内部的各部分的形状和体积发生变化形状和体积发生变化，即所谓
2、的变形。即所谓的变形。对固体施加外力，则固体内部存在一种与外对固体施加外力，则固体内部存在一种与外力相对抗的内力使固体恢复原状。此时在单位面力相对抗的内力使固体恢复原状。此时在单位面积上存在的内力称为积上存在的内力称为内应力（内应力（Stress）。）。 由外部应力而产生的固体的变形，如除去其由外部应力而产生的固体的变形，如除去其应力，则固体恢复原状，这种性质称为应力，则固体恢复原状，这种性质称为弹性弹性（Elasticity）。）。把这种可逆性变形称为把这种可逆性变形称为弹性变形弹性变形。 非可逆性变形称为非可逆性变形称为塑形变形塑形变形。3流动主要表示流动主要表示液体液体和和气体气体的性质
3、。的性质。流动的难易与物质本身具有的性质有关，把这种流动的难易与物质本身具有的性质有关，把这种现象称为现象称为黏性（黏性（Viscosity）。）。流动也视为一种非可流动也视为一种非可逆性变形过程。逆性变形过程。实际上，某一种物质对外力表现为弹性和黏性双实际上，某一种物质对外力表现为弹性和黏性双重特性（重特性（黏弹性黏弹性）。）。4(二）剪切应力与剪切速率二）剪切应力与剪切速率在流速不太快时可以将流动着的液体视为互相平行移动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液层如图，由于各层的速度不同，便形成的液层如图，由于各层的速度不同，便形成速度梯度速度梯度du/dy（剪切速度（剪切速度）
4、，这是流动的基本特征。），这是流动的基本特征。 5 因为有速度梯度存在，流动较慢的液层阻滞着流动较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，所以产生流动阻力。快液层的运动，所以产生流动阻力。为了使液层能维持一定的速度梯度运动，就必须对它施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阻力相等的反向力，在单位液层面积（加一个与阻力相等的反向力，在单位液层面积（A）上所上所需施加的这种力称为需施加的这种力称为剪切应力剪切应力，简称，简称剪切力剪切力（shearing force）, 单位为单位为N/m2，以以S表示。表示。剪切速度剪切速度（rate of shear），
5、），单位为单位为S-1，以以D表示。表示。剪切力剪切力与与剪切速度剪切速度是表征体系流变性质的两个基本参数。是表征体系流变性质的两个基本参数。 6(一）流变学在混悬剂中的应用一）流变学在混悬剂中的应用流变学可应用于讨论影响混悬液中流变学可应用于讨论影响混悬液中分散粒子沉降时的黏性分散粒子沉降时的黏性及及经过振荡经过振荡从容器中倒出混悬剂时的流变性质的变化从容器中倒出混悬剂时的流变性质的变化。同时也。同时也可以应用于用药部位的洗剂的伸展性能等方面。可以应用于用药部位的洗剂的伸展性能等方面。混悬液在静止状态下所产生的混悬液在静止状态下所产生的切变应力切变应力，如果只考虑悬浮粒，如果只考虑悬浮粒子的
6、沉降，由于其存在的力很小，故可以忽略不计。但是，子的沉降，由于其存在的力很小，故可以忽略不计。但是，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切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切变速度。变速度。混悬剂在振摇、倒出及铺展时能否自由移动是形成混悬剂在振摇、倒出及铺展时能否自由移动是形成理想混悬剂的最佳条件。理想混悬剂的最佳条件。二、流变学在药剂学中的应用二、流变学在药剂学中的应用7（二）流变学在乳剂中的应用（二）流变学在乳剂中的应用在使用和制备条件下乳剂的特性是否适宜，主要由在使用和制备条件下乳剂的特性是否适宜，主要由制剂的流制剂的流动性动性而定。而定。乳剂中除了被稀释成
7、很稀的溶液以外，大部分乳剂主要表现乳剂中除了被稀释成很稀的溶液以外，大部分乳剂主要表现为为非牛顿流动非牛顿流动。因此，对其数据的处理或不同系统以及各制。因此，对其数据的处理或不同系统以及各制剂间的定量比较非常困难。剂间的定量比较非常困难。 如果，体积比接近如果，体积比接近0.74时产生相的转移，黏度显著增大。而时产生相的转移，黏度显著增大。而且，平均粒子径变小，黏度增大，同时，在同样的平均粒子径且，平均粒子径变小，黏度增大，同时，在同样的平均粒子径条件下，粒度分布范围广的系统比粒度分布狭的系统黏度低。条件下，粒度分布范围广的系统比粒度分布狭的系统黏度低。影响乳剂黏度的还有一个主要因素为乳化剂。
8、影响乳剂黏度的还有一个主要因素为乳化剂。 膜的物理学特性和电学性质也是影响乳剂黏性的重要因素之膜的物理学特性和电学性质也是影响乳剂黏性的重要因素之一。一。8（三）流变学在半固体制剂中（三）流变学在半固体制剂中的应用的应用在制备软膏剂和化妆品用雪花在制备软膏剂和化妆品用雪花膏时，必须控制好非牛顿流体膏时，必须控制好非牛顿流体材料的浓度（稠度）。图表示材料的浓度（稠度）。图表示的是乳剂性基质，亲水性凡士的是乳剂性基质，亲水性凡士林或含有水分的亲水性凡士林林或含有水分的亲水性凡士林溶液的流动曲线。当亲水性凡溶液的流动曲线。当亲水性凡士林中加入水，屈服点（下降士林中加入水，屈服点（下降曲线延伸与横轴相
9、交的点）由曲线延伸与横轴相交的点）由520g下降到下降到 320g，同时，亲同时，亲水凡士林的塑性黏度（下降曲水凡士林的塑性黏度（下降曲线斜率的倒数）和触变性随着线斜率的倒数）和触变性随着水的加入而增大水的加入而增大。 9 温度对软膏基质稠度温度对软膏基质稠度的影响，可以利用经过的影响，可以利用经过改进的旋转黏度计进行改进的旋转黏度计进行测定，并对其现象加以测定，并对其现象加以解释。解释。 从图中可以看出，温从图中可以看出，温度对两种基质的影响是度对两种基质的影响是一样的，而且，屈服点一样的，而且，屈服点的温度变化曲线也表现的温度变化曲线也表现为同样的性质。为同样的性质。10第二节第二节 流变
10、性质流变性质 一牛顿流动一牛顿流动 液体流动时在液体内形成速度梯度，故产生流动阻力。反液体流动时在液体内形成速度梯度，故产生流动阻力。反映此阻力大小的切变应力映此阻力大小的切变应力S和切变速度和切变速度D有关。实验证明，有关。实验证明，纯液纯液体和多数低分子溶液体和多数低分子溶液在层流条件下的在层流条件下的切变应力切变应力与与切变速度切变速度成正成正比。比。 上式为牛顿黏度定律上式为牛顿黏度定律，遵循该法则的液体为牛顿流体遵循该法则的液体为牛顿流体。式式中，中，黏度或黏度系数黏度或黏度系数，是表示流体黏性的物理常数。是表示流体黏性的物理常数。S1DDAFS或11 根据公式得知牛顿液体的切变速度
11、根据公式得知牛顿液体的切变速度D与切变应力与切变应力S之间如图之间如图（a）所示，呈直线关系，且直线经过原点。所示，呈直线关系，且直线经过原点。 (a)牛顿流动牛顿流动12二非牛顿流动二非牛顿流动 实际上大多数液体不符合牛顿定律，如象实际上大多数液体不符合牛顿定律，如象高分子溶液高分子溶液、胶胶体溶液体溶液、乳剂乳剂、混悬剂混悬剂、软膏软膏以及固以及固-液的不均匀体系的流动均液的不均匀体系的流动均不遵循牛顿定律。我们把这种物质称为不遵循牛顿定律。我们把这种物质称为非牛顿流体非牛顿流体，这种物质这种物质的流动现象称为的流动现象称为非牛顿流动非牛顿流动。对于非牛顿流体可以用旋转黏度对于非牛顿流体可
12、以用旋转黏度计进行测定，对其切变速度计进行测定，对其切变速度D和切变应力和切变应力S的变化规律的结果作的变化规律的结果作图后可得：图后可得： (b)塑性流动塑性流动 （c）假塑性流动假塑性流动 13（一）塑性流动（一）塑性流动(plastic flow) 塑性流动的流动曲线如图（塑性流动的流动曲线如图（b）所示，曲线不经过原点，所示，曲线不经过原点，在横轴切变应力在横轴切变应力S轴上的某处有交点，将直线外延至横轴，在轴上的某处有交点，将直线外延至横轴，在S上某一点可以得上某一点可以得屈服值或致流值屈服值或致流值。当切变应力达不到屈服值以当切变应力达不到屈服值以上时，液体在切变应力作用下不发生流
13、动。当切变应力增加至上时，液体在切变应力作用下不发生流动。当切变应力增加至屈服值时，液体开始流动，切变速度屈服值时，液体开始流动，切变速度D和切变应力和切变应力S呈直线关系呈直线关系。液体的这种性质称为。液体的这种性质称为塑性塑性。引起液体流动的最低切变应力，引起液体流动的最低切变应力，即屈服值即屈服值S0 塑性流体的流动公式可以用下式表示：塑性流体的流动公式可以用下式表示： 塑性黏度（塑性黏度（plastic viscosity）；）；S0屈伏值或降屈伏值或降伏值伏值。 0()/DSS14（二）假塑性流动（二）假塑性流动（pseudoplastic flow） 假塑性流动或假黏性流动的流动曲
14、线如图假塑性流动或假黏性流动的流动曲线如图(c)所示。随着所示。随着S值的增大黏度下降的流动现象称为值的增大黏度下降的流动现象称为假塑性流动假塑性流动。假塑性流动的。假塑性流动的公式如下式所示：公式如下式所示： 式中式中,a表观黏度表观黏度(apparent viscosity)。如甲基纤维素、西。如甲基纤维素、西黄蓍胶、海藻酸钠等链状高分子的黄蓍胶、海藻酸钠等链状高分子的1%水溶液表现为假塑性流水溶液表现为假塑性流动。这种高分子随着动。这种高分子随着S值的增大其分子的长轴按流动方向有序值的增大其分子的长轴按流动方向有序排列。因此，可以减少对流动的阻力。排列。因此，可以减少对流动的阻力。) 1
15、(1nSDna15（三）胀性流动（三）胀性流动 胀性流动曲线如图（胀性流动曲线如图（d）所示，曲线经过原点，且随着切所示，曲线经过原点，且随着切变应力的增大其黏性也随之增大，表现为向上突起的曲线称为变应力的增大其黏性也随之增大，表现为向上突起的曲线称为胀性流动曲线（胀性流动曲线（dilatant flow curve）。）。相当于相当于 式中式中n1时的情况。时的情况。 1naDS16（四）触变流动（四）触变流动 当对普鲁卡因、青霉素注射液或某种软膏剂进行搅拌时当对普鲁卡因、青霉素注射液或某种软膏剂进行搅拌时，由于其黏度下降，故流体易于流动。但是，放置一段时间，由于其黏度下降，故流体易于流动。
16、但是，放置一段时间以后，又恢复原来的黏性。象这种随着切变应力的下降，黏以后，又恢复原来的黏性。象这种随着切变应力的下降，黏度下降的物质，即在等温条件下缓慢地恢复到原来状态的现度下降的物质，即在等温条件下缓慢地恢复到原来状态的现象称为象称为触变性触变性(thixlotropy)。 触变性的测定可以通过计算滞后环状曲线所包围的面积触变性的测定可以通过计算滞后环状曲线所包围的面积，推测由触变流动而产生的结构的破坏和恢复原来状态的程，推测由触变流动而产生的结构的破坏和恢复原来状态的程度。通过这种方法可以控制制剂的特性和产品的质量。度。通过这种方法可以控制制剂的特性和产品的质量。17黏弹性黏弹性(Vis
17、coelasticity)高分子物质或分散体系，具有黏性和弹性的双重特性，我高分子物质或分散体系，具有黏性和弹性的双重特性，我们把这种性质称为们把这种性质称为黏弹性黏弹性。对于这种黏弹性，我们用弹性模型的弹簧和把黏性通过模对于这种黏弹性，我们用弹性模型的弹簧和把黏性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示。型的缓冲器的复合型模型加以表示。（一）麦克斯韦尔（一）麦克斯韦尔（Maxwell）模型模型（二）福格特（二）福格特（Voigt）模型模型（三）双重黏弹性模型（三）双重黏弹性模型 在实际工作中高分子物质的黏弹性现象非常复杂，因此在实际工作中高分子物质的黏弹性现象非常复杂，因此单纯用单纯用Maxwe
18、ll模型或模型或Voigt模型很难解释清楚其现象。但模型很难解释清楚其现象。但是，如果把几个模型组合在一起进行解释，则非常接近于是，如果把几个模型组合在一起进行解释，则非常接近于实际的黏弹性现象。实际的黏弹性现象。18第三节第三节 流变性质的测定方法流变性质的测定方法 测定高分子液体的黏弹性或流变学性质，或测定线性黏弹测定高分子液体的黏弹性或流变学性质，或测定线性黏弹性函数通过以下几个途径：性函数通过以下几个途径：1）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r(t)时所需的时所需的应力应力S(t)；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)时所产生的时所产生的应变程
19、度应变程度r(t)；3）施加一定切变速度时，测定其施加一定切变速度时，测定其应力应力S(t)。 具体测定方法有两种具体测定方法有两种:第一种方法第一种方法是不随时间变化的静止测定法，即是不随时间变化的静止测定法，即r0一定时，一定时，施加应力施加应力S0。只适用于牛顿流体（一点法）只适用于牛顿流体（一点法）。第二种方法第二种方法为转动测定法。对于胶体和高分子溶液的黏度为转动测定法。对于胶体和高分子溶液的黏度如下式所示，其变化主要依赖于切变速度。如下式所示，其变化主要依赖于切变速度。 对于非牛顿流体必须用可以测得不同切变速度的黏度计进对于非牛顿流体必须用可以测得不同切变速度的黏度计进行测定行测定
20、（多点法）。（多点法）。 19一一、落球黏度计法落球黏度计法 落球黏度计原理是在含有一定温度试验液的垂直玻璃管内落球黏度计原理是在含有一定温度试验液的垂直玻璃管内，使具有一定密度和直径的玻璃制或钢制的圆球自由落下，使具有一定密度和直径的玻璃制或钢制的圆球自由落下，通过测定球落下时的速度，可以得到试验液的黏度。图表示通过测定球落下时的速度，可以得到试验液的黏度。图表示的是的是Hoeppler落球黏度计的装置落球黏度计的装置。 20二二、旋转黏度计法旋转黏度计法 旋转黏度计有双重圆筒形、圆锥圆板型和平行圆板型三种。旋转黏度计有双重圆筒形、圆锥圆板型和平行圆板型三种。如图所示，测定原理为筒内装入试验
21、液，然后用特制的旋转子如图所示，测定原理为筒内装入试验液，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。旋转装量中回旋角力。旋转装量中回旋角和弯曲程度和弯曲程度r以及转矩以及转矩M和应力和应力S之间之间的关系如下式所示。的关系如下式所示。 式中，式中，K1、K2常数。设常数。设为旋转速度，即切变速度。双为旋转速度，即切变速度。双重圆筒型主要用于测定低黏度液体，平行圆板型用于测定高黏重圆筒型主要用于测定低黏度液体，平行圆板型用于测定高黏度液体。度液体。2Kr1KMS 21(a)双重圆筒型双重圆筒型 (b)圆锥圆板
22、形圆锥圆板形 (c)平行圆板型平行圆板型 旋转黏度计工作原理示意图旋转黏度计工作原理示意图 22四四、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质，主要用测定软膏、乳剂、雪花膏等半固体制剂的流变性质，主要用针入度计针入度计(penetrometer)，凝结拉力计凝结拉力计(curd tensionmeter)和和伸展计伸展计(spread meter)进行测定。进行测定。 如图所示如图所示针入度计针入度计，主要用于测定软膏等制剂主要用于测定软膏等制剂的硬度。其主要原理为在的硬度。其主要原理为在软膏表面，测定圆锥体尖软膏表面，测定圆锥体尖的针头进入软膏体的
23、距离，的针头进入软膏体的距离，一般用一般用0.01mm为一个单为一个单位来表示。合格的软膏制位来表示。合格的软膏制剂通常规定，其范围在剂通常规定，其范围在200 240个单位。个单位。 23 凝结拉力计凝结拉力计如图如图（b）所示，主要是所示，主要是利用与弹簧相连的接利用与弹簧相连的接触轴上垂吊一定量的触轴上垂吊一定量的物体，将试验液按一物体，将试验液按一定的速度上下移动，定的速度上下移动，使接触轴浸入到试验使接触轴浸入到试验液中，再通过记录仪液中，再通过记录仪记录此时的切变速度记录此时的切变速度并计算其黏度。并计算其黏度。 24伸展计伸展计如图（如图（c）所所示，测定的原理是示，测定的原理是在平行板之间装入在平行板之间装入试验液，在一定压试验液，在一定压力条件下通过测定力条件下通过测定试验液的扩展速度试验液的扩展速度来求得试验液的伸来求得试验液的伸展性能。展性能。 25
