药剂学-流变学基础复习指南

第七章流变学基础

学习要点

一、概述

（一）流变学

1. 定义：

流变学（rheology）是研究物质变形和流动的科学。

变形是固体的固有性质，流动是液体的固有性质。

2.研究对象：

(1) 具有固体和液体两方面性质的物质。

(2) 乳剂、混悬剂、软膏、硬膏、粉体等。

（二）变形与流动

1. 变形是指对某一物体施加外力时，其内部各部分的形状和体积发生变化的过程。

2. 应力是指对固体施加外力，则固体内部存在一种与外力相对抗而使固体保持原状的单位面积上的力。

3. 流动：对液体施加外力，液体发生变形，即流动。

（三）弹性与黏性

1. 弹性是指物体在外力的作用下发生变形，当解除外力后恢复原来状态的性质。

可逆性变形----弹性变形。不可逆变形----塑性变形

2. 黏性是流体在外力的作用下质点间相对运动而产生的阻力。

3. 剪切应力（S）：单位液层面积上所施加的使各液层发生相对运动的外力，

F

S

A

=。

4. 剪切速度（D）：液体流动时各层之间形成的速度梯度，

dv

D

dx =。

5. 黏度：η，面积为1cm2时两液层间的内摩擦力，单位Pa·s，

S

D

η=。

（四）黏弹性

1. 黏弹性是指物体具有黏性和弹性的双重特征，具有这样性质的物体称为黏弹体。

2. 应力松弛是指试样瞬时变形后，在不变形的情况下，试样内部的应力随时间而减小的过程，即，外形不变，内应力发生变化。

3. 蠕变是指把一定大小的应力施加于黏弹体时，物体的形变随时间而逐渐增加的现象，即，应力不变，外形发生变化。

二、流体的基本性质

图7-1 各种类型的液体流动曲线

A ：牛顿流动

B ：塑性流动

C ：假黏性流体

D ：胀性流动

E ：假塑性流体，表现触变性

（一）牛顿流体：1. 特征

(1) 剪切速度与剪切应力成正比，S=F/A=ηD或

1

S

D

η=。

(2) 黏度η：在一定温度下为常数，不随剪切速度的变化而变化。

2. 应用

纯液体、低分子溶液或高分子稀溶液。

（二）非牛顿流体

1. 特征：

(1) 剪切应力与剪切速度的关系不符合牛顿定律。

(2) 黏度不是一个常数，随剪切速率的变化而变化。

2. 类型：塑性流体、假塑性流体、胀性流体、假黏性流体。

(1) 塑性流体

1) 定义：当作用在物体上的剪切应力大于某一值时物体开始流动，否则物体保持即时形状并不会流动的流体。使物体开始流动时的最小剪切应力称为屈服应力，S0。

2) 特征

当S≤S0时，流体不流动；

当S＞S0时，液体开始流动，且剪切应力与剪切速度呈直线关系。

3) 应用

高浓度的乳剂、混悬剂、单糖浆等。

4) 原理

静止时→粒子聚集形成网状结构；

S＞S0 →网状结构被破坏，开始流动。

(2) 假塑性流体

1) 定义：当作用在物体上的剪切应力大于某一值时物体开始流动，表观黏度随着剪切应力的增大而减小的流体。这种流动行为也称剪切稀化流动。

2) 特点：

a. 有屈服值S0；

b. 剪切速率或剪切应力增加，表观黏度减小。

3) 应用：

含有长链大分子聚合物或形成不规则颗粒的分散体系。如甲基纤维素、羧甲基纤维素、大多数高分子溶液等。

4) 原理：

静止时→长链大分子或不规则颗粒取向各异，互相缠绕→表观黏度较大；

剪切应力作用下→分子或颗粒定向，流动阻力减小→表观黏度降低。

(3) 胀性流体

1) 定义：表观黏度随着剪切应力的增大而增加的流体。这种流动行为也称为剪切增稠流动。

2) 特点：

a. 无屈服值，流动曲线经过原点；

b. 剪切速率或剪切应力增加，表观黏度增大。

3) 应用：

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。

4) 原理：

粒子处于紧密充填状态，水充满致密排列的粒子间隙；

剪切应力较低时→粒子排列不发生紊乱，表现为较好的流动性；

剪切应力较高时→粒子排列被搅乱，形成多孔隙的疏松排列构造，水分渗出，粒子间摩擦力增加，黏度增加。

(4) 假黏性流体

1) 特点：

a. 无屈服值，流动曲线经过原点；

b. 剪切速度或剪切应力增大，表观黏度减小。

2) 应用：

1%西黄蓍胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素、甲基纤维素的溶液。

表7-1 各种类型流体特点比较及应用

名称η特征是否存在S0曲线是否过

原点

应用

牛顿流体T不变，η不变否是纯液体、低分子溶液或高分子稀溶液等塑性流体S、D↑，η↓是否高浓度的乳剂、混悬剂、单糖浆等

假塑性流体S、D↑，η↓是否甲基纤维素、羧甲基纤维素、大多数高分子溶液等

胀性流体S、D↑，η↑否是50%淀粉混悬剂、糊剂等

假黏性流体S、D↑，η↓否是1%西黄蓍胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素、甲基纤维素的溶液等

（三）触变性

1. 定义

触变性（thixotropy）是指在一定温度下，非牛顿流体在恒定剪切力（振动、搅拌、摇动）等作用下，黏度减小，流动性增大，当外界剪切力停止或减小时，体系黏度随时间延长而恢复原状的一种性质。

2. 原理

流体结构可逆转变：凝胶→溶胶→凝胶。

剪切应力增加→粒子间结构破坏→黏性减小

剪切应力撤除→粒子间结构恢复→黏性恢复（恢复时滞形成滞后环）

3. 影响因素

(1) 质点的形状：针状或片状质点比球状质点易于表现出触变性，较细的质点、形状越不对称越易呈现触变性。

(2) 其他：pH、温度、聚合物浓度、聚合物的联合应用、聚合物结构的修饰、离子的加入、其他辅料的加入。

三、流变性测定法

（一）黏度