流变学简介课件.ppt

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1、 流变学简介流变学简介（一）流变学的概述（一）流变学的概述流变学：研究物质变形和流动的科学流变学：研究物质变形和流动的科学变形：物质在外力作用下其内部各部分变形：物质在外力作用下其内部各部分 的形状和体积的变化的形状和体积的变化 弹性变形（弹性变形（elastic elastic deformationdeformation）变形变形 塑性变形（塑性变形（plastic plastic deformationdeformation）内应力：单位面积上存在的与外力相对抗内应力：单位面积上存在的与外力相对抗 的内力的内力应应 力：引起变形的作用力力：引起变形的作用力F F除以作用面积除以作用面积A

2、 A弹弹 性：除去外部应力时恢复原状的性质性：除去外部应力时恢复原状的性质黏黏 性：是液体内部所存在的阻碍液体流性：是液体内部所存在的阻碍液体流 动的摩擦力，也称内摩擦力动的摩擦力，也称内摩擦力粘粘弹弹性性物物质质4 液体受应力作用变形，即液体受应力作用变形，即流动流动，是不可逆过程。是不可逆过程。D为为剪切速度剪切速度(rate of shear),各液各液层的速度不同而产生的速度梯度层的速度不同而产生的速度梯度D=dv/dy剪切应力剪切应力（S）：使液层产生相对）：使液层产生相对运动需施加外力，在单位面积上运动需施加外力，在单位面积上所需施加的这种力称剪切应力。所需施加的这种力称剪切应力。

3、（二）剪切速度与剪切应力 一一切切流流体体的的流流变变性性都都可可以以用用切切变变速速度度D D与与剪剪切切力力S S之之间间的的关关系系曲曲线线来来描描述述，这这种种关关系系曲曲线线称称为为流流变变曲曲线线（粘粘度度曲曲线线）。不不同同流流变变性性的的流流体体具具有有不不同同的的流流变变曲曲线线，根根据据流流变变曲曲线线的不同，流体可以分为以下几种：的不同，流体可以分为以下几种：一、牛顿流体一、牛顿流体 二、非牛顿流体二、非牛顿流体 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.一、牛顿流动一、牛顿流动D D 为

4、剪切速度为剪切速度S S 为剪切应力为剪切应力曲线的特点：一条通过坐标原点的直线曲线的特点：一条通过坐标原点的直线S=F/A=D=S/D即剪切应力即剪切应力S S与剪切速度与剪切速度D D成正比成正比-牛顿流动定律牛顿流动定律 粘度或粘度系数，是表示流体粘度的粘度或粘度系数，是表示流体粘度的 物理常数，是流变曲线斜率的倒数物理常数，是流变曲线斜率的倒数 单位单位PaPas(SIs(SI单位单位)牛顿流体牛顿流体：服从牛顿流动定律的液体：服从牛顿流动定律的液体 牛顿流体的特点牛顿流体的特点：一般为低分子的纯液体或稀溶液一般为低分子的纯液体或稀溶液在在一定温度一定温度下，牛顿液体的粘度下，牛顿液体

5、的粘度 为常数，它只是温度的函数，为常数，它只是温度的函数，随温度升高而减小随温度升高而减小牛顿黏度定律：在层流条件下的剪切应力与剪切速度成正比牛顿黏度定律：在层流条件下的剪切应力与剪切速度成正比流动方程：流动方程：D=S/特点：特点：1.它的切变速度与剪切应力之间是通过原点的直线关系；它的切变速度与剪切应力之间是通过原点的直线关系；2.斜率为斜率为1/，所以温度一定时，其黏度，所以温度一定时，其黏度是一个常数，是一个常数，与与D 无关，即黏度只是温度的函数无关，即黏度只是温度的函数(反比反比)非牛顿流体非牛顿流体(nonNewtonian fluid):不符合牛顿流动定律的不符合牛顿流动定律

6、的液体，如液体，如液体，如液体，如乳剂、混悬剂、高分子溶液、胶体溶液、软膏乳剂、混悬剂、高分子溶液、胶体溶液、软膏以及固液的不稳定体系等以及固液的不稳定体系等按非牛顿流体流动的曲线类型可分为按非牛顿流体流动的曲线类型可分为塑性流动、假塑性塑性流动、假塑性流动、胀性流动、触变流动流动、胀性流动、触变流动二、非牛顿流动二、非牛顿流动1.塑性流动（塑性流动（plastic flow）1)曲线不经过原点；曲线不经过原点；2)在横轴剪切应力在横轴剪切应力S轴上有一交点轴上有一交点(S1)；3)存在屈服值（存在屈服值（S0，引起塑性液体流动的最低剪切应力）引起塑性液体流动的最低剪切应力）当剪切应力小于屈服

7、值时液体在剪切应力作用下不流当剪切应力小于屈服值时液体在剪切应力作用下不流动动,而表现为弹性变形而表现为弹性变形;当剪切应力大于屈服值时液体开始流动，而发生塑性当剪切应力大于屈服值时液体开始流动，而发生塑性变形，此时变形，此时D与与S呈直线关系，呈直线关系，为定值；为定值；交点交点屈服值：屈服值：引起塑性液引起塑性液体流动的最体流动的最低切变应力低切变应力S S0 0（致流值）（致流值）S SS S0 0时，形成向上弯曲的曲线时，形成向上弯曲的曲线弹性形变，不流动弹性形变，不流动S SS S0 0时，剪切速度时，剪切速度D D和剪切应力呈直线关系和剪切应力呈直线关系流动流动塑性液体的流动公式：

8、塑性液体的流动公式：D=(S-SD=(S-S0 0)/)/a a a a 塑性粘度塑性粘度 S在制剂中表现为塑性流动的剂型有：在制剂中表现为塑性流动的剂型有：浓度较高的乳剂、混悬剂、单糖浆、涂剂浓度较高的乳剂、混悬剂、单糖浆、涂剂在其它材料中表现：在其它材料中表现：油漆、牙膏、泥浆等油漆、牙膏、泥浆等塑性流体的结构变化示意图塑性流体的结构变化示意图产生原因：体系中粒子受到产生原因：体系中粒子受到范德华力或氢键范德华力或氢键作作用在静置状态下形成用在静置状态下形成立体网络结构立体网络结构，要使体系，要使体系流动，就要破坏这些网状结构。流动，就要破坏这些网状结构。（二二）假假 塑塑 性性 流流 动

9、动（pseudoplastic flow）假假塑塑性性流流动动的的流流动动曲曲线线随随着着S值值的的增增大大，粘粘度度下下降降的的流流动动现现象象称称为为假假塑塑性性流流动动，其其流流动动公公式如下所示：式如下所示：(n1)式式 中中 a 表表 观观 粘粘 度度（apparent viscosity）如如甲甲基基纤纤维维素素、西西黄黄蓍蓍胶胶、海海藻藻酸酸钠钠等等链链状状高高分分子子的的1%水水溶溶液液表表现现为为假假塑塑性性流流动动，其其原原因因是是：随随着着S值值的的增增大大，这这些些高高分分子子的的长长轴轴按按流流动动方方向向有有序序排列，减少了对流动的阻力。排列，减少了对流动的阻力。切

10、稀！越切越稀！切稀！越切越稀！SD没屈服值没屈服值；过原点的过原点的凹凹形曲线形曲线流动公式：流动公式：D=SD=Sn n/a a剪切力增大，剪切力增大，粘度下降，粘度下降，液体变稀液体变稀0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在制剂中表现为假塑性流动的剂型有：某些亲在制剂中表现为假塑性流动的剂型有：某些亲水性链状高分子溶液及微粒分散体系处于絮凝水性链状高分子溶液及微粒分散体系处于絮凝状态的液体。状态的液体。产产生生原原因因：大大分分子子或或溶溶胶胶粒粒子子本本身身结结构构是是不不对对称称的的，静静止止时时有有各各种种可可能能的的取取向向，剪剪切切力力增增大大时时，不不对对称称

11、粒粒子子逐逐渐渐将将长长轴轴转转向向流流动动方方向向排排列列，减减小小了了对对流流动动的的阻阻碍碍，表表观观粘粘度度随随之之降降低低。剪剪切切力力越越大大，粒子取向作用越完全，体系的表观粘度就越小粒子取向作用越完全，体系的表观粘度就越小 a=Sn/D（三）胀性流动（三）胀性流动 胀性流动曲线经过原点，胀性流动曲线经过原点，且随着切变应力的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（线称为胀性流动曲线（dilatant flow curve）。切稠！越切越粘！切稠！越切越粘！没屈服值没屈服值；过原点的过原点的凸凸形曲线形曲线

12、=Sn/D剪切力增大，剪切力增大，表观粘度增加，表观粘度增加，液体变稠液体变稠D DS S0胀性流体的结构变化示意图胀性流体的结构变化示意图产生原因：静止时粒子产生原因：静止时粒子排列紧密排列紧密，但不聚结，粒，但不聚结，粒子间的液层有润滑作用，因而子间的液层有润滑作用，因而流动阻力小流动阻力小，表观，表观粘度低。粘度低。切力的增加，许多粒子被搅在一起，液层原有的切力的增加，许多粒子被搅在一起，液层原有的润滑作用相应减小，流动阻力增大，表观粘度随润滑作用相应减小，流动阻力增大，表观粘度随之上升。之上升。a=Sn/D在制剂中表现为胀性流动的剂型为：在制剂中表现为胀性流动的剂型为：含有大量固体微粒

13、的高浓度混悬剂如含有大量固体微粒的高浓度混悬剂如50%50%淀粉淀粉混悬剂、糊剂、淀粉、滑石粉等混悬剂、糊剂、淀粉、滑石粉等在其它材料中有：在其它材料中有：涂料、颜料等涂料、颜料等触变流动触变流动特点特点：1)随着剪切应力变大，黏度下降，剪切应力消除后随着剪切应力变大，黏度下降，剪切应力消除后黏度在等温条件下缓慢地恢复到原来状态，此现黏度在等温条件下缓慢地恢复到原来状态，此现象称为象称为触变性触变性；2)曲线为环状滞后曲线（施加应力使流体产生流动，曲线为环状滞后曲线（施加应力使流体产生流动，流体的黏度下降，流动性增加，而停止流动时，流体的黏度下降，流动性增加，而停止流动时，并不因应力的减少而立

14、即恢复原状，而是存在一并不因应力的减少而立即恢复原状，而是存在一定的时间差）定的时间差）。四四、触变流动、触变流动环形曲线环形曲线切力增加切力增加上行线上行线切力降低切力降低下行线下行线 滞后面积：滞后面积：上行线和下形线不重合上行线和下形线不重合DS衡量触变性大小的定量指标衡量触变性大小的定量指标滞后面积滞后面积DS产生触变的原因：对流体施加剪切力后，破坏产生触变的原因：对流体施加剪切力后，破坏了液体内部的网状结构，当剪切力减小时，液了液体内部的网状结构，当剪切力减小时，液体又重新恢复原有结构，恢复过程所需时间较体又重新恢复原有结构，恢复过程所需时间较长，因而触变流动曲线中上行线和下行线就不

15、长，因而触变流动曲线中上行线和下行线就不重合重合DSv 触变流动的特点：塑性流体、假塑性流体、触变流动的特点：塑性流体、假塑性流体、胀性流体中多数具有触变性胀性流体中多数具有触变性 药剂中很多制剂具有触变性：如油制普鲁药剂中很多制剂具有触变性：如油制普鲁卡因注射液卡因注射液 液体或半固体制剂：糖浆、某些软膏等液体或半固体制剂：糖浆、某些软膏等 其它材料：钻井泥浆、土壤其它材料：钻井泥浆、土壤 A-A-牛顿流体牛顿流体 B-B-塑性流体塑性流体 C-C-假塑性流体假塑性流体 D-D-胀性流体胀性流体 E-E-触变性流体触变性流体直线直线凹凹型曲线型曲线环形环形曲线曲线凸凸型曲线型曲线 三、流变性

16、的测定三、流变性的测定 对于液体制剂来说，最重要的流变学特性就是黏对于液体制剂来说，最重要的流变学特性就是黏度。动力学黏度计算公式为：度。动力学黏度计算公式为：黏度的测定方法：一、毛细管黏度计测定二、旋转式黏度计测定1.1.毛细管黏度计测定法；毛细管黏度计测定法；只适用于牛顿流体的测定只适用于牛顿流体的测定一般用奥斯瓦尔德黏度计或乌氏黏度计一般用奥斯瓦尔德黏度计或乌氏黏度计2.2.旋转或转动测定法，对于胶体和高分子溶液的粘度，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）其变化主要依赖于剪切速度（多点法）旋转式、圆锥平板、转筒粘度计旋转式、圆锥平板、转筒粘度计

17、 毛细管粘度计样品样品/标准品标准品=t样品样品样品样品/t标准品标准品标准品标准品原理：在一定压力下，根据一定容积的流体依靠压力差或自身的质量，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。乌氏粘度计比奥氏粘度计多装了一个管，别且在管连接处多加了一个泡如此可使得测量管与大气相连，从而使测量管测量过程中压力保持不变。可减少由液 面变化引起的误差，提高测量精度。乌氏粘度计旋转式粘度计用于测定非牛顿流体的粘度旋转式粘度仪，它由两个同心的表面构成，其中一个可旋转。两个表面多为同轴圆筒式或为锥板式。这两种粘度仪设计原理都是一样的，都是以牛顿粘性定律为理论依据。同轴圆筒粘度计锥板形粘度计在

18、同轴圆筒或同轴锥板两者之间均有一定的间隙，其间可注入待测的液体。当两个同轴部件之一（如外圆筒或锥体）以一定角速度（）旋转时，给液体施加一个剪切力，使液体产生分层流动，由于液体内磨擦力，液体的分层流动把转动造成的力矩传递到内圆筒，这时内圆筒会随之偏转一定角度，液体粘度越大，则外筒转动传到内筒的力矩越大，因而内筒偏转的角度也越大。所以，在偏转角度与力矩之间以及力矩与液体的粘度之间都存在正比关系，根据两同轴部件的几何参数，可计算出待测液体的粘度制剂流变性的评价方法制剂流变性的评价方法测定软膏、乳剂、雪花膏等半固体制剂的流变性测定软膏、乳剂、雪花膏等半固体制剂的流变性质，主要用针入度计质，主要用针入度

19、计(penetrometer)，凝结拉力凝结拉力计计(curd tensionmeter)和伸展计和伸展计(spread meter)进行测定进行测定1。如图如图13-19（a）所所示示针入度计针入度计，主要用于，主要用于测定软膏等制剂的硬度。测定软膏等制剂的硬度。其主要原理为在软膏表其主要原理为在软膏表面，测定圆锥体尖的针面，测定圆锥体尖的针头进入软膏体的距离，头进入软膏体的距离，一般用一般用0.01mm为一个为一个单位来表示。合格的软单位来表示。合格的软膏制剂通常规定，其范膏制剂通常规定，其范围在围在200 240个单位。个单位。第第 流变学在药剂学中的应用流变学在药剂学中的应用 流变学理

20、论对乳剂、混悬剂、流变学理论对乳剂、混悬剂、半固体制剂等剂型设计、处方组成半固体制剂等剂型设计、处方组成以及制备、质量控制等研究具有重以及制备、质量控制等研究具有重要意义要意义（一）流变学在混悬剂中的应用（一）流变学在混悬剂中的应用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切速速度度混混悬悬剂剂在在贮贮藏藏过过程程中中若若剪剪切切速速度度小小，则则显显示示较较高的粘性；若剪切速度大，则显示较低的粘性高的粘性；若剪切速度大，则显示较低的粘性混混悬悬剂剂在在振振摇摇、倒倒出出及及铺铺展展时

21、时能能自自由由流流动动是是形形成理想的混悬剂的最佳条件成理想的混悬剂的最佳条件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切力力的影响，大部分乳剂表现为非牛顿流动的影响，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决决定定。体体现现在在乳乳剂剂铺铺展展性性、通通过过性、适应性等方面性、适应性等方面掌掌握握制制剂剂处处方方对对乳乳剂剂流流动动性性的的影影响响非非常常重重要要相体积比、粒度、粘度等相体积比、粒度、粘度等（二）流变学在乳剂中的应用（二）流变学在乳剂中的应用（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半固体制剂的处方组成发生变化时可改变其半固体制剂的处方组成发生变化时可改变其流变性质流变性质外界因素（如温度等）也对半固体制剂的流外界因素（如温度等）也对半固体制剂的流变性质有影响变性质有影响具有适宜的粘度是半固体制剂的处方设计和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制备工艺过程优化的关键