药剂学 第十三章 流变学基础

三.粘弹性(Viscoelasticity)——自学
高分子物质或分散体系，具有粘性和弹性 的双重特性，我们把这种性质称为粘弹性。 对于高分子物质施加一定的作用力，使其 保持一定的伸展性时，应力随时间而减少， 把这种现象称为缓冲应力(Stress relaxation) 另外，对高分子物质附加重量，开始表现 为一定的伸展性，但是，经过一定时间后， 伸展性能变得很小，把这种现象称为蠕变性 （Czeep）。 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[5]。 2013-3-10 28 药剂学
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二、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混悬剂、 乳剂、半固体制剂等的剂型设计、处 方组成、制备工艺、质量控制等进行 研究与评价。 物质的流动性可以分两大类：一种 为牛顿流动，另一种为非牛顿流动。
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（三）胀性流动
胀性流动曲线如图13-9（d）所示，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），它相当 于（13-3）式中n<1时的情况。 切稠！越切越粘！
D S
n
a
(n<1)
u
因为有速度梯度存在，流动较慢的液层 阻滞着流动较快液层的运动，所以产生流 动阻力。 为了使液层能维持一定的速度梯度运动， 就必须对它施加一个与流动阻力相等的反 向力，我们把在单位液层面积（A）上所需 施加的这种力称为切变应力（简称切应力 Shearing force，以S表示）,单位为N/m2。 速度梯度（rate of shear）亦称为切变 速度，以D表示，单位为S-1， 。 切变应力与切变速度是表征体系流变性质 的两个基本参数。
（一）麦克斯韦尔（Maxwell）模型
如图13-10（a）所示，把弹簧（弹性率G ） 和 缓 冲 器 （ 粘 性 率 η） 串 联 的模型 称为 Maxwell模型。对该模型施加应力S时，弹 簧和缓冲器弯曲程度用r1，r2 来表示，则两 者均遵循牛顿定律，故可得如下关系式：
S=G r1, r= r1+r2
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（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。
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药剂学 图13-7 各种类型的液体流体流动曲线 20
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、软膏等不均匀体系的流动 均不遵循牛顿定律。我们把这种不遵循 牛顿定律的液体称为非牛顿流体，这种 流体的流动现象称为非牛顿流动。
按非牛顿液体的流动曲线类型的不
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塑性流体的流动公式可以用下式
（13-2）表示：
D
S S

（13-2）
式中：η——塑性粘度（plastic viscosity）；S0—屈伏值或致流值。

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表现为塑性流动的制剂主要有浓 度较高的乳剂、混悬剂、单糖浆、 涂膜剂等。
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（二）假塑性流动（pseudoplastic flow）
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F S D A
或
1 D S （13-1）
上式即为著名的牛顿粘度定律，遵
循该定律的液体即为牛顿流体。这种流 体的流动现象称为牛顿流动。 式中:F——A面积上施加的力；η— —粘度或称粘度系数,是表示流体粘性 的物理常数。粘度单位用泊（Poise） 来表示，20℃水的粘度约为0.01泊 (p)=1厘泊（cp)。
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流动是液体和气体的性质。流动的 难易与液体和气体本身具有的性质有 关，我们把这种性质称为粘性 （Viscosity）。（流动也可视为一种 非可逆性的变形过程）。
实际上，某些物质可以对外力表现 出弹性和粘性双重特性（简称为粘弹 性），这也是流变学的重要性质之一。
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(二）切变应力与切变速率
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温度对该软膏 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。 从图13-5中可 以看出，温度对两 种基质的影响是一 样的，而且，降伏 点的温度变化曲线 也表现为同样的性 2013-3-10 质。
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而对其触变性而 言，从图13-6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。
S>S0 时，液体开始流动； S0 实质上是引起 塑性液 体流动的最低切变应力。 粘度η不断下降。
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药剂学 (b)塑性流动（S0 ——致流值）
（c）假塑性流动 22
当S S0 时，即切变应力S达不
到屈伏值（致流值）时，液体将 不发生流动，此时该物质表现为 弹性物质的性质。 当S>S0时，即切变应力S增大到 屈伏值（致流值）时，液体将开 始流动，切变速度D和切变应力S 呈直线关系 (此时以后,粘度η 保持不 变)。液体的这种性质称为塑性。
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13-2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。
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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。 图13-3表示的是皂土、CMC-Na以及二者混合物 的稠度曲线（consistency curve）。图中表示皂土具有 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。
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变形是固体的性质：某一固体受 到外力时，其各部分的形状和体积 将发生变化，这就是变形。
当除去外力时，固体具有恢复原状 的倾向性，我们把这种恢复原状的性 质称为弹性（Elasticity）。（同时， 把可逆性变形称为弹性变形）。 对固体施加外力时，固体内部存在 着一种与外力相对抗的内力使固体恢 复原状，我们把这种单位面积上存在 的内力称为应力（Stress）。 2013-3-10 药剂学
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图13-9 胀性 流动和触变流 动的示意图
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（四）触变流动
当对某种软膏剂进行搅拌时，其粘稠度下 降、易于流动；当静置一段时间以后，它又 恢复了原来的粘性。象这种随着切变应力的 增大，其粘度下降、等温静置后又缓慢地恢 复到原来粘稠状态的现象称为触变流动（ thixlotropy）。 触变流动曲线如图13-9（e）所示，其流 动曲线的特性表现为：下降曲线与上升曲线 相比，不仅没有重合而且向左迁移，在图上 表现为环状的滞后曲线。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 2013-3-10 27 药剂学 ，而是存在一种时间差。
第五版教材——《药剂学》
第十三章 流变学基础
（第一节）
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第一节 概述
一．流变学的基本概念 （一）流变学的研究内容 (二）切变应力与切变速率 二、流变学在药剂学中的应用 (一）在混悬剂中的应用 （二）在乳剂中的应用 （三）在半固体制剂中的应用
一．流变学的基本概念
（一）流变学的研究内容 流变学（Rheology）是研究物质 的变形和流动的一门科学。
Baidu Nhomakorabea
(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（铺）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。 药剂学 2013-3-10 8
dr2 S ( ) dt
由此得：当t=0时，r=r0，即保持恒定值。
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则当t>0时, 行计算得：
dr 0 dt
。在此条件上对上式进
t S S 0 exp( )
式中τ=η/G，式中当弯曲保持一定值时，其 应力随时间的延长按指数函数关系减小， 把这种现象称为缓冲应力(Stress relaxation),其结果如图所示。图13-11（a ）中τ为缓冲时间(relaxation time),即应力 值变为开始时的一半所需要的时间，换言 2013-3-10 30 药剂学 之模型所固有的时间。
同，可以把非牛顿液体分为塑性流动、 假塑性流动、胀形流动、触变流动。
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（一）塑性流动(plastic flow)
如图13-7(b)所示，塑性流动的流动曲
线不经过原点,将曲线的直线部分外延至横 轴时,可与横轴有一交点，在这个交点的切 变应力值称为屈伏值或致流值（记为S0 ） 。 S增大时，斜率k不断增大，
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主要因素有：相的体积比、内相固有的 粘度、粒度分布等。 如分散相（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。 另外，乳化剂也是影响乳剂粘度的一个 主要因素。
观察河中的流水：尽管水流方向一致，但 水流速度却不同，中心处的水流最快，靠近 河岸水流较慢。 y 因此，在流速不太 快时，可以将流动 着的液体视为互相 平行移动的一个个 液层（如图13-1）； u 由于各层的速度是 不同的，所以产生 速度梯度du/dy，这 图13-1流动时形成速度梯度 5 2013-3-10 药剂学 是流动的基本特征。
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表13-1中表示制剂研究中常用的各种液
体在20℃条件下的粘度。
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根据式13-1可知：牛顿液体的切变
速度D与切变应力S之间呈直线关系，且 直线经过原点，如图13-7（a）所示 。
S增大时，斜率保持不变，即 粘度η保持不变。
(a)牛顿流动曲线 （斜率k=1/η）
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（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）。图13-4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[2]。当亲水性凡士林中加入 水时，致流值由520g下降到320g，同时，亲水凡 士林的塑性粘度和触变性随着水的加入而增大。
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国家教委 “面向21世纪教学内容
与课程体系改革”教材——《药剂学》
第十三章 流变学基础
(第二节)
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第二节
流变性质
一、牛顿流动 我们已经知道：液体流动时
，在液体内形成速度梯度，故而 产生流动阻力。切变应力S反映 了此阻力大小，它与切变速度D 有关。实验证明: 纯液体和多数 低分子溶液在层流条件下的切变 应力S与切变速度D成正比。
假塑性流动的流动曲线如图13-7(c)所示。这 种随着S值的增大，粘度下降的流动现象称为 假塑性流动，其流动公式（13-3）如下所示：
D
S
n
a
(n>1)
切稀！越切越稀！
式中ηa ——表观粘度（apparent viscosity）
如甲基纤维素、西黄蓍胶、海藻酸钠等链状高 分子的1%水溶液表现为假塑性流动，其原因是： 随着S值的增大，这些高分子的长轴按流动方向有 序排列，减少了对流动的阻力。