第十四章 流变学基础优秀PPT.ppt

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1、第十四章 流变学基础第一页，本课件共有34页l（一）掌握流变学的基本概念（一）掌握流变学的基本概念l（二）熟悉流变学在药剂学中的应用、牛顿流动（二）熟悉流变学在药剂学中的应用、牛顿流动和非牛顿流动和非牛顿流动l（三）了解流体的触变流动性和粘弹性、制（三）了解流体的触变流动性和粘弹性、制剂流变性的评价方法剂流变性的评价方法基本要求基本要求第二页，本课件共有34页 流变学出现在流变学出现在2020世纪世纪2020年代年代。学者们在研究橡胶、塑料、。学者们在研究橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金属等工业材料；岩石、土、石油漆、玻璃、混凝土，以及金属等工业材料；岩石、土、石油、矿物等地质材料；以及

2、血液、肌肉骨骼等生物材料的性油、矿物等地质材料；以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性质过程中，质过程中，发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿流体理发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿流体理论已不能说明这些材料的复杂特性，于是就产生了流变学的论已不能说明这些材料的复杂特性，于是就产生了流变学的思想思想。英国物理学家麦克斯韦和开尔文很早就认识到。英国物理学家麦克斯韦和开尔文很早就认识到材料材料的变化与时间存在紧密联系的时间效应。的变化与时间存在紧密联系的时间效应。第三页，本课件共有34页经过长期探索，人们终于得知，经过长期探索，人们终于得知，一切材料都具有时间效一切材料都具有时间效应应，于是出现了流变

3、学，并在，于是出现了流变学，并在2020世纪世纪3030年代后得到蓬勃发年代后得到蓬勃发展。展。19291929年，美国在年，美国在BinghamBingham教授的倡议下，创建教授的倡议下，创建流变学流变学会会；19391939年，年，荷兰皇家科学院荷兰皇家科学院成立了以成立了以伯格斯伯格斯教授为首的流教授为首的流变学小组；变学小组；19401940年年英国英国出现了流变学家学会。当时，荷兰的出现了流变学家学会。当时，荷兰的工作处于领先地位，工作处于领先地位，19481948年国际流变学会议就是在荷兰举年国际流变学会议就是在荷兰举行的。法国、日本、瑞典、澳大利亚、奥地利、捷克斯行的。法国、日

4、本、瑞典、澳大利亚、奥地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利时等国也先后成立了流变学会。洛伐克、意大利、比利时等国也先后成立了流变学会。第四页，本课件共有34页流变学流变学(rheology)指研究物体变形和流动的科学指研究物体变形和流动的科学流变性：流变性：物体在外力作用下表现出来的变形性物体在外力作用下表现出来的变形性和流动性。和流动性。弹性变形弹性变形（elasticdeformation)：可逆变形可逆变形塑塑性变形性变形(plasticdeformation)：非可逆变形非可逆变形一、流变学的基本概念一、流变学的基本概念第一节第一节概述概述第五页，本课件共有34页第六页，本课件共有34页流

5、变学的研究范围流变学的研究范围橡胶条的拉伸与压缩，轮胎橡胶接触面的回复橡胶条的拉伸与压缩，轮胎橡胶接触面的回复化妆品在皮肤上的涂抹及感觉，牙膏的挤出特性及在化妆品在皮肤上的涂抹及感觉，牙膏的挤出特性及在牙刷上的稳定性牙刷上的稳定性模具内部塑料热熔体的流动模具内部塑料热熔体的流动涂料在墙面上的垂挂性涂料在墙面上的垂挂性番茄酱的倾倒和稳定，乳制品的特性番茄酱的倾倒和稳定，乳制品的特性熔体纤维纺丝熔体纤维纺丝涂料的涂装，喷塑还是涂刷涂料的涂装，喷塑还是涂刷胶粘剂的粘合胶粘剂的粘合甚至山脉的流动甚至山脉的流动!第一节第一节概述概述第七页，本课件共有34页层流、过渡流及湍流层流、过渡流及湍流流体的流动类

6、型，首流体的流动类型，首先由雷诺先由雷诺(Reynolds)(Reynolds)用实验进行了观察。用实验进行了观察。喇叭状的玻璃管浸没喇叭状的玻璃管浸没在透明的水槽内，管在透明的水槽内，管出口有调节水流量用出口有调节水流量用的阀门，水槽上方的的阀门，水槽上方的小瓶内小瓶内充有充有有色液体有色液体,实验时，有色液体从瓶中流出，经喇叭口中实验时，有色液体从瓶中流出，经喇叭口中心处的针状细管流入管内。从有色流体的流动情况可以心处的针状细管流入管内。从有色流体的流动情况可以观察到管内水流中质点的运动情况观察到管内水流中质点的运动情况.第八页，本课件共有34页（二）剪切应力与剪切速度（二）剪切应力与剪切

7、速度力力粘度粘度(viscosity):它表示物质它表示物质在流动时内摩擦力的大小在流动时内摩擦力的大小为使液层能维持一定的速度流动为使液层能维持一定的速度流动,必须施加一个必须施加一个与阻力相等的反方向力与阻力相等的反方向力,在单位液层面积上所施在单位液层面积上所施加的这种力称为剪切加的这种力称为剪切应力应力S S(shearing force):(shearing force):简称简称切力切力.单位为单位为N.mN.m-2-2Shear stress is the stress component parallel to a given surface,such as a fault p

8、lane,that results from forces applied parallel to the surface or from remote forces transmitted through the surrounding rock.第九页，本课件共有34页切变速度切变速度D(shearingrate):速度梯度速度梯度.单位为单位为:S-1大小等于两液层间的速度差除以两液层间的距离大小等于两液层间的速度差除以两液层间的距离.Shear rate is the rate of change of velocity at which one layer of fluid pass

9、es over an adjacent layer.第十页，本课件共有34页二、流变学在药剂学中的应用二、流变学在药剂学中的应用流变学理论对流变学理论对乳剂、混悬剂、半固体乳剂、混悬剂、半固体制剂制剂等等剂型设计、处方组成以及制备、剂型设计、处方组成以及制备、质量控制质量控制等研究具有重要意义等研究具有重要意义。第十一页，本课件共有34页（一）流变学在混悬剂中的应用（一）流变学在混悬剂中的应用u混混悬悬剂剂静静止止状状态态时时的的剪剪切切应应力力忽忽略略不不计计，但但振振摇摇后后把把制制剂剂从从容容器器中中倒倒出出时时存存在在较较大大的的剪剪切速度。切速度。u混混悬悬剂剂在在贮贮藏藏过过程程中

10、中若若剪剪切切速速度度小小，则则显显示示较较高高的的粘粘性性；若若剪剪切切速速度度大大，则则显显示示较较低低的的粘性。粘性。u混混悬悬剂剂在在振振摇摇、倒倒出出及及铺铺展展时时能能自自由由流流动动是是形成理想的混悬剂的最佳条件。形成理想的混悬剂的最佳条件。第十二页，本课件共有34页（二）流变学在乳剂中的应用（二）流变学在乳剂中的应用乳乳剂剂在在制制备备和和使使用用过过程程中中经经常常会会受受到到各各种种剪剪切力的影响，大部分乳剂表现为非牛顿流动。切力的影响，大部分乳剂表现为非牛顿流动。在在使使用用和和制制备备条条件件下下乳乳剂剂的的特特性性是是否否适适宜宜，主主要要由由制制剂剂的的流流动动性性

11、决决定定。体体现现在在乳乳剂剂铺铺展展性、通过性、适应性等方面。性、通过性、适应性等方面。掌握制剂处方对乳剂流动性的影响非常重要。掌握制剂处方对乳剂流动性的影响非常重要。第十三页，本课件共有34页（三）流变学在半固体制剂中的应用（三）流变学在半固体制剂中的应用l半固体制剂的处方组成发生变化时可改变其流半固体制剂的处方组成发生变化时可改变其流变性质。变性质。l外界因素（如温度等）也对半固体制剂的流变外界因素（如温度等）也对半固体制剂的流变性质有影响。性质有影响。l具有适宜的粘度是半固体制剂的处方设计和制具有适宜的粘度是半固体制剂的处方设计和制备工艺过程优化的关键。备工艺过程优化的关键。第十四页，

12、本课件共有34页流变学在药学中应用流变学在药学中应用 液体液体半固体半固体固体固体制备工艺制备工艺a.混合混合皮肤表面上制剂的皮肤表面上制剂的压片或填充胶囊时压片或填充胶囊时装量的生产能力装量的生产能力铺展性和粘附性铺展性和粘附性粉体的流动粉体的流动b.由剪切引起的由剪切引起的从瓶或管状容器中从瓶或管状容器中粉末状或颗粒状粉末状或颗粒状操作效率的提高操作效率的提高分散系粒子的粉碎分散系粒子的粉碎制剂的挤出制剂的挤出固体充填性固体充填性c.容器中的液体容器中的液体与液体能够混合的与液体能够混合的的流出和流入的流出和流入固体量固体量d.通过管道输送通过管道输送从基质中药物的释放从基质中药物的释放液

13、体的制剂过程液体的制剂过程e.分散体系的物理分散体系的物理稳定性稳定性第十五页，本课件共有34页一、牛顿流动一、牛顿流动牛顿流体牛顿流体:在层流条件下的切应在层流条件下的切应力力S S与切变速度成正比。与切变速度成正比。纯液纯液体或大多数低分子溶液体或大多数低分子溶液).).牛顿公式只有在层流条件下才适牛顿公式只有在层流条件下才适用。用。第二节流变性质第二节流变性质第十六页，本课件共有34页A-牛顿流体；牛顿流体；B-塑性流体；塑性流体；C-假塑性流体；假塑性流体；D-胀性流体；胀性流体；E-触变性流体触变性流体二二、非牛顿流体、非牛顿流体(non-Newtonianfluid)第十七页，本课

14、件共有34页射流胀大爬杆效应爬杆效应无管虹吸无管虹吸湍流减阻湍流减阻上图为未上图为未添加聚乙添加聚乙烯氧化物烯氧化物的情形的情形下图为添下图为添加聚乙烯加聚乙烯氧化物后氧化物后的情形的情形第十八页，本课件共有34页二二、非牛顿流体非牛顿流体(non-Newtonianfluid)(一一)塑性流动塑性流动 (plastic flow)(plastic flow)也叫也叫BinghamBingham体体若一个物体所受的力超过某一限度若一个物体所受的力超过某一限度,其形状的改其形状的改变是永久的变是永久的,则该物体便是则该物体便是可塑的可塑的.对于流体，当对于流体，当外加外加切应力较小时不流动只切应

15、力较小时不流动只发生发生弹性形变弹性形变;而一而一旦切应力超过某一限度时旦切应力超过某一限度时,体系的变形就是永久体系的变形就是永久的的,表现出可塑性表现出可塑性,故称为塑性流体故称为塑性流体.塑性体塑性体流变曲线为直线流变曲线为直线,不通过原点不通过原点,但与切应力但与切应力轴相交一点轴相交一点f fB B使塑性体开始流动所需加的临界切应力即为使塑性体开始流动所需加的临界切应力即为屈服值屈服值（yieldvalue)第十九页，本课件共有34页(二二)假塑性流体假塑性流体(pseudoplasticflow)体系没有屈服值体系没有屈服值,流变曲线经过原点流变曲线经过原点,黏度随切速黏度随切速增

16、加而减少增加而减少.显示这种流动性质的流体即为显示这种流动性质的流体即为假塑性假塑性流体流体.从流动曲线某一特定点切线斜率的倒数求得的黏度从流动曲线某一特定点切线斜率的倒数求得的黏度称为称为表观黏度表观黏度(h happapp).).表观黏度一定要标明测定时表观黏度一定要标明测定时的切变速度的切变速度.通常高切力的流动曲线趋于线性通常高切力的流动曲线趋于线性,此时黏度最低此时黏度最低.表观黏度表观黏度假设性指数假设性指数n=1时时,牛顿流体牛顿流体越大越大,非牛顿性愈强非牛顿性愈强第二十页，本课件共有34页假塑性流体的结构变化示意图假塑性流体的结构变化示意图第二十一页，本课件共有34页(三三)

17、胀性流动胀性流动(dilatantflow)流体的黏度随切变速度的增加而增加流体的黏度随切变速度的增加而增加由于这种流体在由于这种流体在切变过程中体积增加切变过程中体积增加,故称之为故称之为胀性流体胀性流体.胀性流体还具有切变增稠的作用胀性流体还具有切变增稠的作用.n1胀性体系机理示意图胀性体系机理示意图在在切变应力为零切变应力为零的情况下的情况下,颗粒全是颗粒全是散散开的开的,故黏度较小故黏度较小.切力大时切力大时,许多颗许多颗粒被搅在一起粒被搅在一起,形成团块形成团块,但大大增但大大增加了流动阻力加了流动阻力,搅得越剧烈结合越多搅得越剧烈结合越多,阻力也越大阻力也越大,也就显得越稠也就显得

18、越稠,直至最终直至最终变成糊状变成糊状,流动停止流动停止.这种作用是可逆这种作用是可逆的的,应力解除应力解除,流动性会重新建立流动性会重新建立第二十二页，本课件共有34页三、三、触变性触变性(thixotropy)触变性即通过接触而变化触变性即通过接触而变化.随切变应力增加黏度下随切变应力增加黏度下降降,切应力消除后黏度在等温条件下缓慢地恢复原切应力消除后黏度在等温条件下缓慢地恢复原来状态的现象来状态的现象-触变性触变性触变流型的滞后圈触变流型的滞后圈假塑性材料的触变假塑性材料的触变-流变图流变图胀性物质的触变流变图胀性物质的触变流变图第二十三页，本课件共有34页四、粘弹性四、粘弹性(visc

19、oelasticity)v高分子物质或分散体系具有粘性高分子物质或分散体系具有粘性(viscosity)和弹和弹性性(elasticity)双重特性，称之为双重特性，称之为粘弹性粘弹性(viscoelasticity)。v物质被施加一定的压力而变形，并使其保持一定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，此现象称为应力时，应力随时间而减少，此现象称为应力缓应力缓和和(stressrelaxation)。v对物质附加一定的重量时，表现为一定的伸展性对物质附加一定的重量时，表现为一定的伸展性或形变，而且随时间变化，此现象称为或形变，而且随时间变化，此现象称为蠕变性蠕变性(

20、creep)。第二十四页，本课件共有34页将弹性模量为将弹性模量为G的弹簧与粘度为的弹簧与粘度为的粘壶串联，即为麦克的粘壶串联，即为麦克斯韦尔模型斯韦尔模型当施加应力当施加应力S时，形变等于弹簧与粘壶形变之和时，形变等于弹簧与粘壶形变之和SSoexp（-t/）松弛时间松弛时间等于应力松弛至起始应力的等于应力松弛至起始应力的1/e时所经的时间。时所经的时间。松弛时间越长，该模型越接近理想弹性体。松弛时间越长，该模型越接近理想弹性体。麦克斯韦尔模型可以描述应力松弛过程，但不能描述蠕变麦克斯韦尔模型可以描述应力松弛过程，但不能描述蠕变过程。过程。麦克斯韦尔模型麦克斯韦尔模型第二十五页，本课件共有34

21、页(二二)Voigt(或或Kelvin)模型模型将弹性模量为将弹性模量为G的弹簧与粘度为的弹簧与粘度为的粘壶并联，即为沃伊的粘壶并联，即为沃伊特模型。因为是并联，所以应力特模型。因为是并联，所以应力S等于弹簧及粘壶所承受等于弹簧及粘壶所承受的应力之和的应力之和当施加一定的负荷时，即当施加一定的负荷时，即S=S0时的关系式通过对上时的关系式通过对上式积分得式积分得式中，式中，=/G，表示形变量下降到全形变量的，表示形变量下降到全形变量的1/e所需所需要的时间，叫滞延时间要的时间，叫滞延时间(retavalationtime)。表示在一定。表示在一定的负荷下伸展随时间的变化，反映蠕变的方程。伸展的

22、程的负荷下伸展随时间的变化，反映蠕变的方程。伸展的程度开始随时间而增大，到了一定的时间后度开始随时间而增大，到了一定的时间后S0/G达到定值。达到定值。第二十六页，本课件共有34页第三节第三节 蠕变性质的测定方法蠕变性质的测定方法l测定使待测样品产生微小应变测定使待测样品产生微小应变r（t）时所需应力时所需应力S(t)牛顿流体牛顿流体毛细管黏度计或落球黏度计毛细管黏度计或落球黏度计l测定对待测样品施加应力测定对待测样品施加应力S(t)时所产生的应变程时所产生的应变程度度r（t）l施加一定切变速度时，测定其应力施加一定切变速度时，测定其应力S(t)非牛顿流体非牛顿流体旋转黏度计旋转黏度计圆锥平板

23、黏度计圆锥平板黏度计转筒黏转筒黏度计度计第二十七页，本课件共有34页一、落球粘度计一、落球粘度计第二十八页，本课件共有34页二、旋转粘度计二、旋转粘度计筒内装入试验液，用特制的转子进行旋转，考察产生筒内装入试验液，用特制的转子进行旋转，考察产生的弯曲现象，利用作用力求得产生的应力，的弯曲现象，利用作用力求得产生的应力，第二十九页，本课件共有34页粘度的表示方法主要是粘度的表示方法主要是3种，种，运动粘度、特性粘数和动力粘度运动粘度、特性粘数和动力粘度，相应的也采用，相应的也采用3种粘度种粘度计来测试，其中测试动力粘度的就是计来测试，其中测试动力粘度的就是旋转粘度计旋转粘度计。动力粘度：动力粘度

24、：面积各为面积各为1m2并相距并相距1m的两层流体，以的两层流体，以1m/s的的速度作相对运动时所产生的内摩擦力。单位：速度作相对运动时所产生的内摩擦力。单位：Pa.S(帕帕.秒秒)运动粘度运动粘度:即液体的动力粘度与同温度下该流体密度即液体的动力粘度与同温度下该流体密度之比。用之比。用小写字母小写字母v表示。表示。第三十页，本课件共有34页旋转粘度计的类型很多，包括旋转粘度计的类型很多，包括同轴双筒旋转粘度计、单筒旋转同轴双筒旋转粘度计、单筒旋转粘度计、锥板粘度计、转子型旋粘度计、锥板粘度计、转子型旋转粘度计转粘度计，可以根据实际需要来，可以根据实际需要来选择不同类型的粘度计。选择不同类型的粘度计。第三十一页，本课件共有34页圆锥平板粘度计圆锥平板粘度计第三十二页，本课件共有34页針入度針入度在指定温度和外力下滑脂在指定温度和外力下滑脂被插入的深度叫被插入的深度叫“针入针入 度度”。“针入度针入度”越大则表明越大则表明该润滑脂较软，品级上该润滑脂较软，品级上数字越小数字越小“针入度针入度”越越大，大，合格软膏剂针入度为合格软膏剂针入度为200240个单位个单位第三十三页，本课件共有34页祝祝同同学学们们展展翅翅高高飞飞天天高高任任鸟鸟飞飞第三十四页，本课件共有34页