第十四章-流变学基础分析

（一）塑性流动(plastic flow)
当剪切应力增加至屈服 值（致流值 S0）时，液
体开始流动，剪切速度 与剪切应力呈直线关系。
当剪切应力达不到屈服 值以上时，液体在剪切
应力作用下不发生流动，
而表现为弹性变形。
D
塑性流动
S0
S
流动公式：
η：塑性粘度(plastic viscosity)； S0：屈服值，dyne·cm-2 表现为塑性流动的剂型： 乳剂、混悬剂、单糖浆、涂剂等。
层流条件下的切变应力S 与
New牛to顿nia粘n 度equ定at律ion
切变速度D 成正比。
公 式：
S F D 或
A
D
S
F：A 面积上施加的力
η：粘度或粘度系数，表示流体粘性的物 理常数，Pa·s、mPa·s、。
一、牛顿流动
牛顿流体：直线 斜率的倒数表示 粘度，粘度与剪 切速度无关，是
可逆的，温度一 定，粘度一定。
2.落球粘度计
原理：在有一定温度试验 液的垂直玻璃管内，使具 有一定密度和直径的玻璃 制或钢制圆球自由落下， 通过测定球落下时的速度， 可求得试液的粘度。
计算牛顿流体粘度：
η= t (ρb-ρl) ·B
3. 旋转粘度计
类型: 双重圆筒型 低粘度液体
圆锥圆板型
平行圆板型 高粘度液体 原理：筒内装入试验液，用特制的旋转子
各型旋转粘度计计算公式
（a）型：
K1 2R12L
K2 (s2 1) / 2s2 s R2 / R1
（b）型：
K1 2R3 / 3 K2
（c）型： K1 R3 / 2
K2 h/ R
4.圆锥平板粘度计
测定方法：将试验液放在平板的中央，然后 平板推至上面的圆锥下部后对圆锥进行旋转， 使试液在静止平板和旋转圆锥之间产生剪切。 剪切速度为圆锥旋转速度，通过读取产生于 圆锥的粘性引力，可得剪切应力。
弹性变形：可逆性变形 塑性变形：非可逆性变形
2. 流 动（flow）
流动：液体和气体的主要性质之一。
流动程度与流体本身的粘性(Viscosity)
有关，因此流动也可视为一种非可逆性 变形过程。
由3于. 粘具弹有弹性性（，v可is把co外e力lasticity）
做功的一部分转化为存储 在物质内部的应变能
✓ 分散相（ 内相）体积比较低时 （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；当体积比接近 0.74 时，产生相的转 移，粘度显著增大。
✓ 在同样的平均粒径条件下，粒度分布范围 广的系统比粒度分布狭的系统粘度低。
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。
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。
主要因素有：相的体积比、内相固有的 粘度、粒度分布等。
应力缓和(stress relaxation)：物质被施加一 定的压力而变形，并使其保持一定应力时， 应力随时间而减少的现象。
蠕变性(creep)：对物质附加一定重量时， 表现为一定的伸展性或形变，而且随时间 变化的现象。
粘弹性模型：
麦克斯韦尔(Maxwell)模型： 弹簧和缓冲器串联。
福格特(Voigt)模型： 接近于实际高分子 弹簧和缓和器并联。 材料的蠕变和恢复
时，切变速度变大，应显示较低的粘性。即：混 悬剂在振摇、倒出及铺展时是否自由流动是形成 理想混悬剂的最佳判别条件。
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。用甘油（ 牛顿流体）为对照 组进行的实验结果 说明：甘油的粘性 作为悬浮粒子的助 悬剂也较为理想。
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。 皂土、CMCNa 以 及 二 者 混 合 物 的 稠 度 曲线（consistency curve） 如图所示。皂土具有非常 显著的滞后曲线，具有较 大的触变性；皂土和 CMC 的混合液曲线，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
等链状高分子的 1% 水溶液。
(三) 胀性流动（dilatant flow）
胀性流动：曲线经 过原点，随着剪切 应力的增大其粘性 也随之增大 如：滑石粉或淀粉
切稠！越切越粘！
三、触变流动
触变性(thixlotropy)：
随着剪切应力增大，粘度下降，剪切应 力消除后粘度在等温条件下缓慢地恢复 到原来状态的现象。
✓ 另外，乳化剂也是影响乳剂粘度的一个主 要因素。
（三）流变学在半固体制剂中的应用
在制备软膏剂和化妆品 时，必须控制好非牛顿 流体材料的浓度（稠 度）。如图所示乳剂性 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 时，屈服点由 520 g 下降 到 320 g，同时，亲水凡 士林的塑性粘度和触变 性随水的加入而增大。
(二) 假塑性流动(pseudoplasitic flow)
随着 S 值的增 大而粘度下降 的流动称为假 塑性流动
D
假塑性流动
切稀！越切越稀！
S
流动公式：
ηa：表观粘度，随剪切速度的改变而改变； n：指数，越大，非牛顿性越大， n=1时，为牛顿流体。
表现为假塑性流动： 甲基纤维素、西黄薯胶、海藻酸钠
触变性是施加应力使流体产生流动时，流体 的粘性下降，流动性增加；停止流动时，其 状态恢复到原来性质的现象。
曲线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。
可 器用 加将 以弹 组三性合、模的型各粘的种弹模弹簧型和表性粘示性。模型的缓冲
粘弹性(viscoelasticity)：高分子物质或分散 体系，具有粘性和弹性的双重特性。
温度升高 粘度下降
3.5 不同性质药物对甲壳胺流变学性质的影响
分别制备含盐酸 雷 尼 替 丁 20% 、 40% 的 溶胶 , 于 20℃ 测 定 不 同 剪 切速度(D)下的切 应力(S) , 作其流 变曲线。
Biblioteka Baidu
旋转装量中回旋角 Ω 和弯曲程度 r 以及转矩 M 和 应力 S 之间的关系如下式所示
r
K2
S M 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
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。 从图中可以看出， 温度对两种基质塑 性粘度的影响是一 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， 从图中可以看出温度 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。
《药剂学 》 Pharmacy
第一节 概 述
流变学（Rheology）：
研究物体的变形 和 流动 的科学。
把固体和液体的性质结由合力为学整、体化作学为、工程
对象进行研究。
学的交叉和综合而产 生的边缘学科
一、流变学在药剂学中的应用
混悬剂 乳剂 胶体溶液 软膏剂 新剂型
处方设计 处方组成 质量评价 制备工艺
具体测定方法：
不随时间变化的静止测定法，即r0 一 定时，施加应力 S0，适用于牛顿流体 的测定。
旋转或转动测定法：切变速度。
二、常用粘度计
毛细管及落球粘度计
牛顿流体
旋转粘度计
非牛顿流体
圆锥平板粘度计
1.毛细管粘度计
原理：在一定压力下，根据 流体的压力差或自身的重量， 经过一定长度的标准毛细管 所需要的时间或流速，并计 算流体的粘度。
多数物质对外力表现为弹性和粘性双 重特性，称为粘弹性物质。
在外力作用下，物体会变形和流动。
有类似于流体的粘性，可 通过内摩擦而消耗掉另一
部分外力做的功
y
两个基本参数
层流（laminar flow）：在流速不太快时，u 可将流动的液体视为互相平行移动的液层
切变速度：各层的速度不同，形成速度梯度
进行旋转，考察产生的弯曲现象，利用作 用力求得产生的应力。
转筒法
旋转粘度计工作原理
由同步电机以稳定的速度旋转，连 接刻度圆盘，再通过游丝和转轴带 动转子旋转，若转子未受到液体的 阻力，则游丝、指针与刻度圆盘同 速旋转，指针在刻度盘上指出的读 数“0”；若转子受到液体的粘滞 阻力，则游丝产生扭矩，与粘滞阻 力抗衡最后达到平衡，这时与连接 的指针在刻度圆盘上指示一定的读 数（游丝的扭转角）。将读数乘上 特定的系数即得到液体的粘度。
曲线的现象。
双重粘弹性模型： 把几个Maxwell 和Voigt模型组合在一起
第三节 蠕变性质的测定方法
一、测定高分子液体流变学性质的途径：
测定使待测样品产生微小应变r(t) 时所需的 应力 S(t)；
测定对待测样品施加应力S(t) 时所产生的应 变程度 r(t)；
施加一定切变速度时，测定其应力S(t)。
4. 实验方法：于恒温 20℃ 测定在不同剪切速度 (D) 下的切应力(τ)，绘制 D - τ曲线图。
实验结果及结论
3.1 脱乙酰度对壳聚糖流变学性质的影响
Ⅰ：72％脱乙酰度 Ⅱ：80％脱乙酰度 Ⅲ：85％脱乙酰度 Ⅳ：95％脱乙酰度
假塑性流体
3.2 浓度对流变学性质的影响
配制不同浓度的 Ⅲ 溶液 (脱乙酰度为85％)
du/dy ，D。 剪切力：使各液层间产生相对运动的外力。
切变应力：在单位液层面积上所需施加的剪
切力，简称剪切力，S。
第二节 流变性质纯液体、多数低
分子溶液
流动和变形 形式不同 物质
牛顿流体 遵循
牛 顿 流 动
非牛顿流体 不遵循
法 则
高分子溶液、胶体溶液、乳剂、
纯液混体悬剂和、多软数膏低等分子溶液在
浓度越高，粘 度越大
3.3 pH值对壳聚糖流变学性质的影响
用 pH 值分别为 3.6、 4.5 和 6.0 醋酸-醋酸盐 缓冲液分别制备 1% 壳 聚糖Ⅲ 溶胶，于 20℃ 测量不同剪切速度(D) 下的切应力(S) ， 作流 变曲线。
pH 值较小时, 非牛 顿流体行为明显， 粘度较大
3.4 温度对甲壳胺流变学性质的影响
D
牛顿流体
牛顿流S 动曲线 （斜率 k = 1/η）
20℃下几种牛顿流体的绝对粘度
液体
蓖麻油 氯仿 乙醇 甘油
橄榄油 水
粘 度（mPa·s）
1000 0.563 1.19 400 100 1.0019
二、非牛顿流动
不满足牛顿粘性定律的流体
根据非牛顿流体的流动曲线的类型分为：
塑性流动、假塑性流动（准塑性流动） 胀性流动、触变流动
混悬剂 乳剂 胶体溶液 软膏剂 栓剂
处方设计 处方组成 质量评价 制备工艺
(一）流变学在混悬剂中的应用
在混悬液中，流变学原理可用于讨论：
➢ 粘性对粒子沉降的影响； ➢ 混悬液经振荡从容器中倒出时的流动性
的变化； ➢ 混悬液应用于投药部位时的伸展性。
Mervine 和 Chase 提出：良好的混悬剂在贮藏过程 中切变速度很小，应显示出较高的粘性；在应用
例一：国产壳聚糖流变学性质 及其影响因素的研究
1. 实验目的：研究国产甲壳胺的流变学性 质及流变学性质的影响因素，为其在缓 控释方面的应用提供参考。
2. 仪器：旋转粘度计
3. 实验内容： 3.1 脱乙酰度对壳聚糖流变学性质的影响 3.2 浓度对流变学性质的影响 3.3 pH值对壳聚糖流变学性质的影响 3.4 温度对壳聚糖流变学性质的影响 3.5 不同性质药物对壳聚糖流变学性质的影响 3.6 离子强度对壳聚糖流变学性质的影响
二、流变学的基本概念
1. 变形（deformation）
变形：对某一物体外加压力时，其内部各部分 的形状和体积发生变化。
内应力（stress）：对固体施加外力，固体内 部存在一种与外力相对抗的内力使固体保持原 状，此时单位面积上存在的内力。
弹性（elasticity）：对于外部应力而产生的固 体的变形，当去除其应力时恢复原状的性质。
粘度计算： η＝C·T/ V
圆锥-平板粘度计的几个优点：
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、所测定试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。
三、流变学在药剂学中的应用