粉体学基础

第六章粉体学基础（micromeritics）掌握粉体学的概念、粉体的性质。熟悉相关参数的含义及应用了解粉体学有关参数的测定。[e-mail]2教学内容第一节概述第二节粉体粒子的性质（粉体学的第一性质）第三节粉体的密度与孔隙率第四节粉体的流动性与填充性第六节粘附性与凝聚性第七节粉体的压缩性质（粉体学的第二性质）3第一节概述粉体学(micromeritics)是研究具有各种形状的粒子集合体性质和应用的科学。粉体中粒子大小范围一般在0.1~100m之间，有些粒子大小可达1000m，小者可至0.001m。通常100m的粒子叫“粉”，100m者称“粒”。粉体属于固体分散在空气中形成的粗分散体系，兼有气体的压缩性、液体的可流动性、固体的抗变形能力。粉体学是药剂学的基础理论，对固体制剂的处方设计、制剂的制备、质量控制、包装等都有重要指导意义。4第二节粉体粒子的性质一、粒子大小(粒子径)与粒度分布粉体的粒子大小也称粒度，是在空间范围所占据的尺寸。含有粒子大小和粒子分布双重含义，是粉体的基础性质。（一）粒子径的表示方法：P83-851、几何学粒子径在光学显微镜或电子显微镜下观察粒子几何形状所确定的粒子径。(1)长径：粒子最长两点间距离。(2)短径：粒子最短两点间距离。5(3)定向径：全部粒子按同一方向测得的粒子径。圆相当径：(4)面积相当径：与粒子投影面积相等的圆的直径。(5)周长相当经6等体积相当径：与粒子体积相等球的直径，Dv。等比表面积相当径：与粒子的比表面积相等球的直径。等表面积相当径：与粒子的表面积相等球的直径，Ds沉降速度相当径(有效径)★又称stokes’径，用沉降法求得的粒子径，是指与被测粒子有相同沉降速度的球形粒子的直径。常用以测定混悬剂的粒子径。2.球相当径【用球体的粒径表示不规则颗粒大小】gρρHμd)/(18S3.筛分径已通过（或未通过）筛网孔的平均尺寸作为所测粒子的粒径：算术平均径DA=(a+b)/2几何平均径1iiidaa(二)粒度分布布particlesizedistribution★定义：用特定的仪器和方法反映出的不同粒径颗粒占粉体总量的百分数。有区间分布和累计分布两种形式。区间分布又称为微分分布or频率分布，它表示一系列粒径区间中颗粒的百分含量。累计分布也叫积分分布，它表示小于或大于某粒径颗粒的百分含量。9(二)粒度分布★可参见P86图6-6频率最多的粒子径中位径/中直径12个数平均径/算术平均径dln=(nd)/n长度平均径dsl=(nd2)/(nd)面积平均径dvs=(nd3)/(nd2)平均面积径dsn=[(nd2)/(n)]1/2平均体积径dvn=[(nd3)/(n)]1/3中位径=在累积分布图中累计值正好为50%所对应的粒子径，以“D50”表示★，是最常用的平均径。（三）平均粒径（meandiameter）P8713(四)粒子径的测定方法★光学显微镜法：n=300~600，=0.2~100m，可用于混悬剂、乳剂、混悬软膏剂、散剂等。库尔特计数法(coultercounter):测定等体积球相当径；可用于混悬剂、乳剂、脂质体、粉末药物等。沉降法：可分Andreasen吸管法、离心法、比浊法、沉降天平法、光扫描快速粒度测定法等,得到有效径/Stoke’s径比表面积法：气体吸附法和透过法。不能得到粒度分布。筛分法：误差大；45m；而微孔筛可筛分10m。P906-6国内标准筛粒径有关规定★：药典标准筛：P91表6－6极细粉:全过9号筛(200目，75μm)最细粉:全过6号筛,且95%过7号筛(120目，125μm)细粉:全过5号筛,且95%过6号筛(100目，150μm)一般散剂应通过6号筛（100目，150μm）儿科及外用散剂应通过7号筛（120目，125μm）眼用散应全部通过9号筛（200目，75μm）二、粒子形状粒子形状：指一个粒子的轮廓或表面上各点所构成的图像。【形状指数】将粒子的各种无因次组合称为形状指数。球型度表示粒子接近球体的程度φ=ЛD2/S圆形度表示粒子的投影面接近圆的程度φ=ЛDH/L【形状系数(立体几何各变量的关系称为形状系数)】体积形状系数ØV=VP/D3表面积形状系数ØS=S/D2，比表面积形状系数Ø=ØS/ØV粒子的比表面积形状系数越接近于6，粒子越接近球体或立方体。常见在6-8范围16三、粉体粒子的比表面积（一)比表面积粒子比表面积：指单位重量或体积所具有的粒子表面积。Sw=6/d；Sv=6/dSw,Sv分别为重量和体积比表面积，为粉体粒密度，d面积平均径。17(二)比表面积测定1.吸附法(BET法)Sw=ANVm=AVm/22400*6.028*1023BET公式：P/V(P0-P)=1/VmC+(C-1)P/VmP0)Sw为比表面积，Vm为在低压下粉体表面吸附氮气形成单分子层的吸附量(mol/g)，A为被吸附氮气分子的截面积(0.162nm2/mol)，N为阿伏伽德罗常数(Avogadroconstant)，V为在P压力下粉体对气体的吸附量(mol/g)，P0为实验温度下氮气饱和蒸气压，C为常数。182.气体透过法Kozeny-carman公式：Sv=Sw=14[APt2/LQ(1-)2]1/2A为粉体层面积，L为粉体层长度，P为粉体层两侧流体的压力差，为流体的粘度，为粉体的孔隙率，Q为t时间通过粉体层的流量。折射法Sv=4.5[4ln(I0/I)0.77/LCv]I为光通过混悬液的强度，I0光通过纯液体的强度，L为光通过混悬液的长度，Cv为混悬液的体积比浓度。19四、粉体的密度★及孔隙率P94密度公式:★真密度t=W/V颗粒密度g=W/(V+V1)松(表观/堆)密度b=W/(V+V1+V2)=W/V振实密度btt≧g≧bt≧b孔隙率公式:粒子内孔隙率1=V1/(V+V1)=1-g/粒子间孔隙率2=V2/(V+V1+V2)=V2/V全孔隙率=(V1+V2)/(V+V1+V2)=(V1+V2)/V式中V1为粒子内空隙,V2为粒子间空隙,V为粒子真容积,V为表观容积,W为粉体重量。20五、粉体的流动性与充填性(一)粉体的流动性粉体的流动性(flowability）：可用休止角、流出速度、内摩擦系数来衡量。1、粉体流动性的表示方法(1)休止角(angleofrepose)★★休止状态的粉体堆集体自由表面与水平面之间的夹角为休止角,用表示,越小流动性越好,tan=h/r。≤30°时流动性好,≤40°可满生产需求。(2)流出速度(flowvelocity)流出速度越大，粉体流动性越好。21(3)内摩擦系数(internalfrictioncoefficient)Coulomb公式：F=W+CiW为对剪切面所施加的重直重力，F为剪切拉力，Ci为粒子间凝聚力，为内摩擦系数。Ci和越小，流动性越好。(4)压缩度(compressibility)C=(ρf-ρ0)/ρf×100%式中，ρ0为最松密度；ρf为最紧密度。压缩度20%以下流动性较好。222、影响粉体流动性的因素粒子大小、形状、空隙率、密度、粒子表面积构造对粉体流动性有决定性影响。(1)粒度：一般，粒径增大→休止角变小。一般粒径200m，休止角小，流动性好；粒径100-200m之间，粒子间的内聚力和摩擦力开始增加，休止角也增大，流动性减小。粒径200m，粒子易发生聚集，内聚力超过粒子重力，妨碍了粒子的重力行为。在临界粒子径以上时，随粒子径增加，粉体流动性也增加。23(2)粒子形状和表面粗糙性：粒子形状越不规则，表面越粗糙，休止角就越大，流动性也越小。一般≤30通常为自由流动，≥40不再自由流动，可产生聚集。(3)吸湿性：粉体吸湿性大，休止角也大，在一定范围内休止角随吸湿量的增大而增大。但吸湿量达到某一值后，休止角又逐渐减小，主要由于孔隙被水充满而起到润滑作用。(4)加入润滑剂：润滑剂可以改变粉体的休止角，减少粒子间的凝聚力，改善粒子的表面状态，主要是减小表面的粗糙性，改善粒子的流动性。243、改善流动性的方法(1)适当增加粒子径+附着性和凝聚性大的粉体，流动性差，主要由于分散度大，表面自由能很高，产生自发附着和凝聚。(2)控制含湿量-(3)添加少量细粉+粒径较大的粉体添加少量细粉，可增加其流动性。一般加量为1~2%。(4)添加助流剂+25(二)粉体的充填性粉体的填充性的表示方法粉体的填充性是粉体集合体的基本性质，在片剂、胶囊剂的填充过程中具有重要意义。填充性可用：松比容(specific)、松密度(bulkdensity)、空隙率(porosity)、空隙比(voidratio)、充填率(packingfraction)、配位数(coordinationnumber)来表示。26六、粉体的吸湿性与润湿性★(一)吸湿性(moistureabsorption)吸湿性是指固体表面吸附水分的现象。药物的吸湿特性可用吸湿平衡曲线表示。1、水溶性药物的吸湿性★水溶性药物在相对湿度较低的环境下，几乎不吸湿，而当相对湿度RH增大到一定值时，吸湿性急剧增加，一般把这个吸湿量开始急剧增加的相对湿度称为临界相对湿度(criticalrelativehumidity,CRH)。28水溶性物质的混合物吸湿性更强：★根据Elder假说→水溶性药物混合物的CRH约等于各成分CRH的乘积，而与各成分的量无关。测定CRH的意义★(1)CRH值可作为药物吸湿性指标：一般CRH愈大，愈不易吸湿；(2)为生产、贮藏的环境提供参考；(3)为选择防湿性辅料提供参考，一般应选择CRH值大的物料作辅料。292、水不溶性药物的吸湿性★水不溶性药物的吸湿性随着相对湿度的变化而缓慢发生变化，没有临界点。水不溶性药物的混合物的吸湿性具有：加和性。30311、润湿性润湿性是指固体界面由固-气界面变为固-液界面现象。粉体的润湿性对片剂、颗粒剂等到固体制剂的崩解性、溶解性等具有重要意义。★润湿性用接触角θ表示。液滴在固体表面上所受的力达平衡时符合Yong’s公式：Ysg=Ysl+Ylgcosθ式中，Ysg、Ysl、Ylg分别固-气、固-液、气-液间的界面张力。(二)润湿性(wetting)32θ=0º，完全润湿;θ=180º，完全不润湿;θ=0～90º，能被润湿;θ=90～180º，不易被润湿。332、接触角的测定方法(1)将粉体压缩成平面，水平放置后滴上液滴直接由量角器测定。(2)在圆筒管里精密充填粉体，下端用滤纸轻轻堵住后接触水面，测定水在管内粉体层中上升的高度与时间。根据Washburn公式计算接触角：h2=rtYlcosθ/2η式中，h为t时间内液体上升的高度；Yl、η分别为液体的表面张力与粘度；r为粉体层内毛细管半径。由于毛细管半径不好测定，常用于比较相对润湿性。34七、粉体的粘附性与凝聚性粘附性(adhesion)是指不同分子间产生的引力，如粉体粒子与器壁间的粘附。凝聚性(cohesion，粘着性)是指同分子间产生的引力，如粉体粒子之间发生粘附而形成聚集体(randomfloc)。产生粘附性和凝聚性的原因：1、在干燥状态下主要是由于范德华力与静电力发挥作用2、在润湿状态下主要由于粒子表面存在的水分形成液体桥或由于水分的蒸发而产生固体桥发挥作用。35八、粉体的压缩性(一)粉体的压缩特性可压缩性(compressibility)表示粉体在压力下体积减少的能力。可成形性(compactibility)表示物料紧密结合成一定形状的能力。可压片性36(1)压缩过程中力的分析Fa-上冲力Fb-下冲力Fr-径向传递力Fd-模壁摩擦力1、压缩力与体积的变化2、压缩循环37①径向力与轴向力的关系式：Fr=νFa/(1-ν)式中，ν为泊松比，是横向应变与纵向应变之比(ν=|ε横/ε纵|)，通常为0.4-0.5。②压力传递率(Fb/Fa)