流变学基础

第14章流变学基础第一节概述一．流变学的基本概念流变学——来源于希腊，由Bingham和Crawford为了表示液体的流动和固体的变形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。变形：对某一物体外加压力，其内部的各部分的形状和体积发生的变化。主要与固体的性质相关。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。此时在单位面积上存在的内力称为应力（Stress）。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，这种性质称为弹性（Elasticity）。把这种可逆性变形称为弹性变形（elasticdeformati-on），而非可逆性变形称为塑性变形（plasticdeformat-ion）。流动主要表示液体和气体的性质。流动的难易与物质本身具有的性质有关，把这种现象称为粘性（Viscosity）。流动也视为一种非可逆性变形过程。实际上，某一种物质对外力表现为弹性和粘性双重特性（粘弹性）。这种性质称为流变学性质，对这种现象进行定量解析的学问称为流变学。切变应力与切变速率在流速不太快时，可将流动着的液体视为互相平行移动的液层叫层流（如下图），由于各层的速度不同，便形成速度梯度du/dy，这是流动的基本特征。uy表征体系流变性质的两个基本参数：1.在单位液层面积（A）上施加的使各液层间产生相对运动的外力称为剪切应力，简称剪切力（shearigforce）,单位为N/m2，以S表示。2.剪切速度（rateofshear），单位为S-1，以D表示。第二节流变性质一．牛顿流动牛顿粘度定律：纯液体和多数低分子溶液在层流条件下的剪切应力（S）与剪切速度（D）成正比。遵循该法则的液体为牛顿流体。式中，η——粘度或粘度系数，是表示流体粘性的物理常数。单位为泊，1P=0.1N·S·m-2，SI单位中粘度用Pa·S或Kg/(m·s)表示。粘度系数除以密度ρ得的值ν（ν=η/ρ）为动力粘度（SI单位为㎡/S）。S1DDAFS或下表中表示制剂研究中常用的各种液体在20℃条件下的粘度。根据公式得知牛顿液体的切变速度D与切变应力S之间如下图所示，呈直线关系且直线经过原点。(a)牛顿流动二．非牛顿流动实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律，如高分子溶液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固-液的不均匀体系的流动。把这种不遵循牛顿粘度定律的物质称为非牛顿流体，这种物质的流动现象称为非牛顿流动。非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律，经作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、胀形流动、触变流动。对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。（一）塑性流动(plasticflow)塑性流动的流动曲线：曲线不经过原点，在横轴S轴上的某处有交点，得屈伏值（yieldvalue）或降伏值。当切变应力增加至屈伏值时，液体开始流动，切变速度D和切变应力S呈直线关系。液体的这种性质称为塑性流动。引起液体流动的最低剪切应力为屈伏值S0：η——塑性粘度（plasticviscosity）；S0——屈伏值、致流值或降伏值，单位为dyne·㎝-2。(b)塑性流动0SSD塑性流体的结构变化示意图塑性流动的特点：不过原点；有屈伏值S0；当切应力SS0时，形成向上弯曲的曲线；当切应力SS0时，切变速度D和切应力呈直线关系。在制剂中表现为塑性流动的剂型有浓度较高的乳剂和混悬剂。（二）假塑性流动（pseudoplasticflow）随着S值的增大粘度下降的流动现象称为假塑性流动。式中，ηa——表观粘度（apparentviscosity）。假塑性流动的特点：没屈伏值；过原点；切应速度增大，形成向下弯的上升曲线，粘度下降，液体变稀。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液体。)1(1nSDna（c）假塑性流动（三）胀性流动（dilatantflow）胀性流动曲线曲线经过原点，且随着切变应力的增大其粘性也随之增大，表现为向上突起的曲线称为胀性流动曲线（dilatantflowcurve）。（d）胀性流动胀性液体的流动公式：D=Sn/an1，为胀性流体；当n接近1时，流动接近牛顿流动。胀性流体的结构变化示意图•胀性流动的特点：没屈伏值；过原点；切应速度很小时，液体流动速度较大，当切应速度逐渐增加时，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。•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50%淀粉混悬剂、糊剂等。（四）触变流动(thixotropicflow)当对普鲁卡因、青霉素注射液或某种软膏剂进行搅拌时，由于其粘度下降，故流体易于流动。但是，放置一段时间以后，又恢复原来的粘性。象这种随着切变应力的下降，其粘度下降的物质，即在等温条件下缓慢地恢复到原来状态的现象称为触变性（thixlotropy）。（e）触变流动产生触变的原因：对流体施加切应力后，破坏了液体内部的网状结构，当切应力减小时，液体又重新恢复原有结构，恢复过程所需时间较长，因而上行线和下行线就不重合。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变性，它们分别称为触变性塑性液体、触变性假塑性液体、触变性胀性液体。其流动曲线的特性表现为剪切应力的下降曲线，并与上升曲线相比向左迁移。在图上表现为环状滞后曲线。也就是说，用同一个S值进行比较，曲线下降时粘度低，上升时被破坏的结构并不因为应力的减少而立即恢复原状，而是存在一种时间差。即所谓的触变性是施加应力使其流体产生流动时，流体的流动性暂时性增加。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度。通过这种方法可以控制制剂的特性和产品的质量。三.粘弹性(Viscoelasticity)高分子物质或分散体系具有粘性(viscosity)和弹性(elasticity)双重特性，称之为粘弹性。应力缓和(stressrelaxation)：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，此现象称为应力缓和。蠕变性(creep)：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。对于这种粘弹性，我们用弹性模型化的弹簧和把粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示：（一）麦克斯韦尔（Maxwell）模型（二）福格特（Voigt）模型（三）双重粘弹性模型（四）多重粘弹性模型流变学在药剂学中的应用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。如制备医疗和化妆品用的雪花膏、糊剂、洗涤剂时必须调整适当的稠度和润滑性，才能使其制剂达到良好的重现性。制备制剂时选择的装置不同，流变学的性质也不一样。而且，如果在制备过程中制备装置选择不当，制剂的流变学性能得不到满意的效果。一种物质的流变性和变形按其类别可以分两类：一种为牛顿流变学，另一种为非牛顿流变学。(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分散粒子沉降时的粘性及经过振荡从容器中倒出混悬剂时的流变性质的变化。同时也可以应用于投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切变应力，如果只考虑悬浮粒子的沉降，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变速度。Mervine和Chase提出混悬剂在贮藏过程中切变速度小，显示较高的粘性，切变速度变大，显示较低的粘性。即混悬剂在振摇、倒出及铺展时能否自由流动是形成理想的混悬剂的最佳条件。表现假塑性流动的西黄蓍胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠等物质，具有上述性能。图中用牛顿流体性质的甘油为对照组进行实验，结果说明，甘油的粘性作为悬浮粒子的助悬剂较为理想。如果从容器中到出以及在皮肤表面涂膜时其粘度较高,由于甘油本身的稠度较大，且吸湿性高，所以不经稀释则无法使用。触变性物质在静置状态下可形成凝胶，经振摇后转变为液状。右图表示的是皂土、羧甲基纤维素钠以及皂土和羧甲基纤维素钠混合物的稠度曲线（con-sistencycurve）：皂土具有非常显著的滞后曲线，且在装入膨润土样品的容器的翻转试验中发现，具有较大的触变性。而皂土和CMC的混合分散液曲线，则表现出假塑性流动和触变性双重性质。因此，可以通过调节分散液的混合比例，制成理想的混悬剂的基质。（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切变力的影响。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而定。例如，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伸展性。另外，为了使皮肤注射用乳剂容易通过注射用针头，且容易从容器中倒出以及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。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非牛顿流动。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。分散相相关的几个因素主要有相的体积比，粒度分布，内相固有的粘度等。如分散相体积比相对较低时（0.05以下），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。而体积比高的时候，转变为塑性流动。如果体积比接近0.74时产生相的转移，粘度显著增大。而且平均粒子径变小，粘度增大，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粘度低。另外，影响乳剂粘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粘性的重要因素之一。（三）流变学在半固体制剂中的应用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材料的浓度（稠度）。右图表示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溶液的流动曲线：当亲水性凡士林中加入水，屈服点由520g下降到320g，同时其塑性粘度（下降曲线斜率的倒数）和触变性随着水的加入而增大。温度对软膏基质稠度的影响，可以利用经过改进的旋转粘度计进行测定，并对其现象加以解释。右图中可以看出，温度对两种基质的塑性流动影响是一样的，而且降伏点的温度变化曲线也表现为同样的性质。而对其触变性而言，右图中可以看出温度对两种基质的变化特性完全不同.其原因主要是随着温度的升高凡士林的蜡状骨架基质产生崩解，另一方面，液体石蜡聚乙烯复合型软膏基质，通常在温度发生变化的条件下能够维持树脂状结构。剂型设计和制备工艺过程中流变学的主要应用领域