第十四章 流变学基础.ppt

Chap 14流变学基础 济宁医学院药剂教研室王慧云 一 掌握流变学的基本概念 二 熟悉流变学在药剂学中的应用 牛顿流动和非牛顿流动 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 基本要求 流变学出现在20世纪20年代 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 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 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思想 英国物理学家麦克斯韦和开尔文很早就认识到材料的变化与时间存在紧密联系的时间效应 经过长期探索 人们终于得知 一切材料都具有时间效应 于是出现了流变学 并在20世纪30年代后得到蓬勃发展 1929年 美国在Bingham教授的倡议下 创建流变学会 1939年 荷兰皇家科学院成立了以伯格斯教授为首的流变学小组 1940年英国出现了流变学家学会 当时 荷兰的工作处于领先地位 1948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 捷克斯洛伐克 意大利 比利时等国也先后成立了流变学会 流变学 rheology 指研究物体变形和流动的科学流变性 物体在外力作用下表现出来的变形性和流动性 弹性变形 elasticdeformation 可逆变形塑性变形 plasticdeformation 非可逆变形 一 流变学的基本概念 第一节概述 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 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 模具内部塑料热熔体的流动 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 熔体纤维纺丝 涂料的涂装 喷塑还是涂刷 胶粘剂的粘合 甚至山脉的流动 第一节概述 流体的流动类型 首先由雷诺 Reynolds 用实验进行了观察 喇叭状的玻璃管浸没在透明的水槽内 管出口有调节水流量用的阀门 水槽上方的小瓶内充有 有色液体 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观察到管内水流中质点的运动情况 二 剪切应力与剪切速度 粘度 viscosity 它表示物质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 必须施加一个与阻力相等的反方向力 在单位液层面积上所施加的这种力称为剪切应力S shearingforce 简称切力 单位为N m 2 Shearstressisthestresscomponentparalleltoagivensurface suchasafaultplane thatresultsfromforcesappliedparalleltothesurfaceorfromremoteforcestransmittedthroughthesurroundingrock 切变速度D shearingrate 速度梯度 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 Shearrateistherateofchangeofvelocityatwhichonelayeroffluidpassesoveranadjacentlayer 二 流变学在药剂学中的应用 流变学理论对乳剂 混悬剂 半固体制剂等剂型设计 处方组成以及制备 质量控制等研究具有重要意义 一 流变学在混悬剂中的应用 混悬剂静止状态时的剪切应力忽略不计 但振摇后把制剂从容器中倒出时存在较大的剪切速度 混悬剂在贮藏过程中若剪切速度小 则显示较高的粘性 若剪切速度大 则显示较低的粘性 混悬剂在振摇 倒出及铺展时能自由流动是形成理想的混悬剂的最佳条件 二 流变学在乳剂中的应用 乳剂在制备和使用过程中经常会受到各种剪切力的影响 大部分乳剂表现为非牛顿流动 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决定 体现在乳剂铺展性 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 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流变性质 外界因素 如温度等 也对半固体制剂的流变性质有影响 具有适宜的粘度是半固体制剂的处方设计和制备工艺过程优化的关键 流变学在药学中应用 一 牛顿流动 牛顿流体 在层流条件下的切应力S与切变速度成正比 纯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用 第二节流变性质 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 射流胀大 爬杆效应 无管虹吸 湍流减阻 上图为未添加聚乙烯氧化物的情形下图为添加聚乙烯氧化物后的情形 一 塑性流动 plasticflow 也叫Bingham体 若一个物体所受的力超过某一限度 其形状的改变是永久的 则该物体便是可塑的 对于流体 当外加切应力较小时不流动只发生弹性形变 而一旦切应力超过某一限度时 体系的变形就是永久的 表现出可塑性 故称为塑性流体 塑性体流变曲线为直线 不通过原点 但与切应力轴相交一点fB 使塑性体开始流动所需加的临界切应力即为屈服值 yieldvalue 体系没有屈服值 流变曲线经过原点 黏度随切速增加而减少 显示这种流动性质的流体即为假塑性流体 从流动曲线某一特定点切线斜率的倒数求得的黏度称为表观黏度 happ 表观黏度一定要标明测定时的切变速度 通常高切力的流动曲线趋于线性 此时黏度最低 表观黏度 假设性指数 n 1时 牛顿流体越大 非牛顿性愈强 假塑性流体的结构变化示意图 流体的黏度随切变速度的增加而增加由于这种流体在切变过程中体积增加 故称之为胀性流体 胀性流体还具有切变增稠的作用 n 1 胀性体系机理示意图 在切变应力为零的情况下 颗粒全是散开的 故黏度较小 切力大时 许多颗粒被搅在一起 形成团块 但大大增加了流动阻力 搅得越剧烈结合越多 阻力也越大 也就显得越稠 直至最终变成糊状 流动停止 这种作用是可逆的 应力解除 流动性会重新建立 触变性即通过接触而变化 随切变应力增加黏度下降 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 触变性 触变流型的滞后圈 假塑性材料的触变 流变图 胀性物质的触变流变图 四 粘弹性 viscoelasticity 高分子物质或分散体系具有粘性 viscosity 和弹性 elasticity 双重特性 称之为粘弹性 viscoelasticity 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 此现象称为应力缓和 stressrelaxation 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 此现象称为蠕变性 creep 将弹性模量为G的弹簧与粘度为 的粘壶串联 即为麦克斯韦尔模型当施加应力S时 形变等于弹簧与粘壶形变之和 S Soexp t 松弛时间 等于应力松弛至起始应力的1 e时所经的时间 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 但不能描述蠕变过程 麦克斯韦尔模型 二 Voigt 或Kelvin 模型将弹性模量为G的弹簧与粘度为 的粘壶并联 即为沃伊特模型 因为是并联 所以应力S等于弹簧及粘壶所承受的应力之和 当施加一定的负荷时 即S S0时的关系式通过对上式积分得 式中 G 表示形变量下降到全形变量的1 e所需要的时间 叫滞延时间 retavalationtime 表示在一定的负荷下伸展随时间的变化 反映蠕变的方程 伸展的程度开始随时间而增大 到了一定的时间后S0 G达到定值 第三节蠕变性质的测定方法 测定使待测样品产生微小应变r t 时所需应力S t 牛顿流体毛细管黏度计或落球黏度计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 非牛顿流体旋转黏度计圆锥平板黏度计转筒黏度计 一 落球粘度计 二 旋转粘度计 筒内装入试验液 用特制的转子进行旋转 考察产生的弯曲现象 利用作用力求得产生的应力 粘度的表示方法主要是3种 运动粘度 特性粘数和动力粘度 相应的也采用3种粘度计来测试 其中测试动力粘度的就是旋转粘度计 动力粘度 面积各为1m2并相距1m的两层流体 以1m s的速度作相对运动时所产生的内摩擦力 单位 Pa S 帕 秒 运动粘度 即液体的动力粘度与同温度下该流体密度 之比 用小