药剂学第七章 流变学基础

二、落球粘度计法 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 ）。
Hoeppler落球粘度计
测定方法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，利用下式计算得到牛顿液体的 粘度。
圆锥—平板粘度计
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变 速度作图，以下面的公式即可以计算得到试验液 的粘度。 T η= C
V
式中，C——常数；T——转矩；V——每分钟的 旋转数，即圆锥的旋转速度 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： T Tf U C V
D
S S0

(b)塑性流动
η——塑性粘度（plastic viscosity）；S0——屈伏值、致流值或降 伏值，单位为dyne· ㎝-2。

塑性流动的特点：不过原点；有屈伏值S0； 当切应力S< S0时，形成向上弯曲的曲线； 当切应力S> S0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。
（b）型：
2 2R1 L 2
K1 2R / 3 K2
3
（c）型： K1 R
K2
/2 h/ R
3
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。Ferranti-Shirley圆锥—平板粘度计的 装置如下图所示。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。
三、触变性
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，放臵一段时 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。
伸展计如图所 示，测定的原 理是在平行板 之间装入试验 液，在一定压 力条件下通过 测定试验液的 扩展速度来求 得试验液的伸 展性能。
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臵不同，流变学的性质也不一 样。而且，如果在制备过程中制备装臵选择不当，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。
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。
（二）影响触变性的因素
体系的触变性与质点的不均匀性和定向性 有关，针形或片状质点比球状质点易于表 现出触变性。此外，还受以下条件的影响：
1.PH2.温度 3.聚合物浓度 4.聚合物的联合应用 5.聚合物结构的修饰 6.离子的加入 7.其他辅料的添加
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。
第七章
流变学基础
第一节
一．变形与流动
概
述
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）。
A-牛顿流体； B-塑性流体； C-假塑性流体；D-胀性流体； E-触变性流体
第三节
流变性测定法
测定高分子液体的粘弹性或流变学 性质，或测定线性粘弹性函数通过以下几 个途径： 1）测定对待测样品施加微小弯曲作用r(t) 时所产生的应力S(t)； 2)测定对待测样品施加应力S(t)时所产生 的弯曲程度r(t)； 3）施加弯曲速度测定其应力S(t)。
r
K2
SM
K1
式中，K1、K2——常数。设Ω为旋转速度，即切 变速度。双重圆筒型主要用于测定低粘度液体， 平行圆板型用于测定高粘度液体。
(a)双重圆筒型
(b)圆锥圆板形 (c)平行圆板型
旋转粘度计工作原理示意图
各型旋转粘度计计算公式如下：
K1 （a）型： 2 K 2 ( s 1) / 2 s s R 2 / R1
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（elastic deformation），而非可逆性变形称为塑性变形（plastic deformation）。 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。
第二节
一．牛顿流动
流变性质
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。
F S D A
或
1 D S
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）。
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。
圆锥 - 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（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。
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。
二．弹性与黏性
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。
表征体系流变性质的两个基本参数：
假塑性流体的结构变化示意图
（三）胀性流动（dilatant flow）
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（ dilatant flow curve）。
胀性液体的流动公式： D= Sn /a n<1，为胀性流体； 当n接近1时，流动接近牛顿流动。

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(plastic flow) 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（yield value）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：
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
（a）Maxwell因素
（b）Voigt因素
粘弹性的力学模型
时间t （ a）
时间t (b)
Maxwell模型的缓冲应力（a）和Voigt模型的缓冲器（b）
具体测定方法：
1.不随时间变化的静止测定法，即r0一定时，施加应力
S0Байду номын сангаас一点法）。
只适用于牛顿流体的测定
一般用毛细管或落球粘度计
2.旋转或转动测定法，对于胶体和高分子溶液的粘度，
其变化主要依赖于剪切速度（多点法）
旋转式、锥板、转筒粘度计
（一）毛细管粘度计
η1=η2ρ1t1/ρ2t2
D
原理：在一定压力下，根据一定容积的流体依靠压力差 或者自身的质量，流过一定长度和半径的标准毛细管所 需的时间，计算出液体的粘度。
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。