流变学和粉体学简介

1、1,流变学和粉体学简介,中国药科大学药剂学教研室,2,本章学习要求：,掌握牛顿流动与非牛顿流动的概念。 掌握粉体学有关参数的意义。 熟悉弹性变形粘性流动。 了解流变学和粉体学的应用及有关参数的测定。,3,教学内容,第一节 流变学简介 第二节 粉体学简介,4,第一节 流变学简介,一、概述 流变学(rheology)系指研究物体变形和流动的科学，1929年由Bengham和Crawford提出。 物体的二重性：物体在外力作用下可观察到变形和流动现象。 流变性：物体在外力作用下表现出来的变形性和流动性。,5,二、弹性形变和粘性流动,(一) 弹性变形(elastic deformation) 弹性变形

2、：给固体施加外力时，固体就变形，外力解除时，固体就恢复到原有的形状，这种可逆的形状变化称为弹性变形。 应变：弹性变形时，与原形状相比变形的比率称为应变(strain)，应变分为常规应变(normal strain)和剪切应变(shear strain)。,6,延伸应变时，S=E；剪切应变时，S=G。 S为应力， 为应变，E为延伸弹性率，G为剪切刚性率。 对药剂学弹性率比刚性率更有实际意义，弹性率大，弹性界限就小，表现为硬度大，有脆性，容易破坏；弹性率小，表现柔软有韧性，不宜破坏。,7,(二)粘性流动,液体受应力作用变形，即流动，是不可逆过程。 粘性(viscosity)是液体内部所在的阻碍液体

3、流动的摩擦力，称内摩擦。 D=dv/dy=d/dt D(s-1)为切变速度或剪切速度(rate of shear), d/dt为单位时间应变的增加。,8,9,三、牛顿流动,理想的液体服从牛顿粘度法则(1687年，牛顿定律，Newtonian equation)， 即切变速度D与切应力S成正比： S=F/A=D D为切变速度，S为切应力，F为A面积上施加的力， 为粘度系数单位Pas，1Pas=10P(泊)，或称动力粘度，简称粘度。 流度(fluidity)：=1/,即粘度的倒数。 运动粘度：粘度与同温度的密度之比值(/),再乘以106，单位mm/s。,10,牛顿液体：服从牛顿定律的液体。 牛顿流

4、动：牛顿液体的流动形式。 牛顿液体的特点： 一般为低分子的纯液体或稀溶液； 在一定温度下，牛顿液体的粘度为常数，它只是温度的函数，随温度升高而减小，可用Andrade公式表示。 =Aexp(E/RT) A为常数，E为流动活化能，R为气体常数，T为绝对温度。 流动活化能：液体开始流动所施加的能量。,11,四、非牛顿流动,非牛顿液体(nonNewtonian fluid):不符合牛顿定律的液体，如乳剂、混悬剂、高分子溶液、胶体溶液等。 粘度曲线(viscosty curve)或流动曲线(flow curve):把切变速度D随切应力S而变化的规律绘制成的曲线。 流动方程式(rheological e

5、quation):表示流动曲线形状的数学关系式。 按非牛顿液体流动曲线为类型可将非牛顿液分为塑性流动、假塑性流动、胀性流动、触变流动。,12,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.,13,(一)塑性流动(plastic flow),塑性流动：不过原点；有屈伏值S0；当切应力S S0时，切变速度D和切应力呈直线关系。 塑性(plastisity) 屈伏值(yield value)：引起塑性液体流动的最低切应力S0 。 塑性粘度(plastic viscosity):塑性液体的粘度pl。 塑性液体的流动公式：D=(S- S0)/pl D为切变速度，S为切应

6、力， S0 为屈伏值， pl 为塑性粘度。 在制剂中表现为塑性流动的剂型有浓度较高的乳剂和混悬剂。,14,塑性流体的结构变化示意图,15,(二)假塑性流动(pseudoplastic flow),假塑性流动：没屈伏值；过原点；切应速度增大，形成向下弯的上升曲线，粘度下降，液体变稀。 切变稀化；切变稀化流动(shearthinning flow)。 假塑性液体的流动公式：D=Sn/a 或 log D=log 1/a +nlog S D为切变速度；S为切应力；a 为表观粘度(随切变速度的不同而不同）；n1， a 随S增加而增加。 在制剂中表现为假塑性流动的剂型有某些亲水性高分子溶液及微粒分散体系处

7、于絮凝状态的液体。,16,假塑性流体的结构变化示意图,17,(三)胀性流动(dilatant flow),胀性流动：没屈伏值；过原点；切应速度很小时，液体流动速度较大，当切应速度逐渐增加时，液体流动速度逐渐减小，液体对流动的阻力增加，表观粘度增加，流动曲线向上弯曲。 切变稠化；切变稠化流动(shear thickening flow)。 胀性液体的流动公式：D= Sn /a 或 log D=log 1/a +n log S D为切变速度；S为切应力； a 为表观粘度(随切变速度的不同而不同）；n45m；而微孔筛可筛分200m，休止角小，流动性好； 粒径100200m之间，粒子间的内聚力和摩擦力

8、开始增加，休止角也增大，流动性减小。 粒径200m，粒子易发生聚集，内聚力超过粒子重力，妨碍了粒子的重力行为。 在临界粒子径以上时，随粒子径增加，粉体流动性也增加。,41,(2)粒子形状和表面粗糙性：粒子形状越不规则，表面越粗糙，休止角就越大，流动性也越小。 一般30通常为自由流动， 40不再自由流动，可产生聚集。 (3)吸湿性：粉体吸湿性大，休止角也大，在一定范围内休止角随吸湿量的增大而增大。但吸湿量达到某一值后， 休止角又逐渐减小，主要由于孔隙被水充满而起到润滑作用。 (4)加入润滑剂：润滑剂可以改变粉体的休止角，减少粒子间的凝聚力，改善粒子的表面状态，主要是减小表面的粗糙性， 改善粒子的

9、流动性。,42,3、改善流动性的方法,(1) 适当增加粒子径 附着性和凝聚性大的粉体，流动性差，主要由于分散度大，表面自由能很高，产生自发附着和凝聚。 (2) 控制含湿量 (3) 添加少量细粉 粒径较大的粉体添加少量细粉，可增加其流动性。一般加量为12%。 (4) 添加助流剂,43,(二) 粉体的充填性,1、粉体的填充性的表示方法 粉体的填充性是粉体集合体的基本性质，在片剂、 胶囊剂的填充过程中具有重要意义。 填充性可用松比容(specific)、松密度(bulk density)、空隙率(porosity) 、空隙比(void ratio) 、充填率(packing fraction) 、配

10、位数(coordination number)来表示。,44,2、颗粒的排列模型 颗粒的装填方式影响到粉体的体积与空隙率。 粒子的排列方式中最简单的模型是大小相等的球形粒子的充填方式。 Graton-Fraser模型。 3、充填状态的变化与速度方程 容器中轻轻加入粉体后给予振荡或冲击时，粉体层的体积减少。,45,充填速度可由久野方程和川北方程分析。 久野方程:n/C=1/ab+n/a 川北方程:ln(f- n)=-kn+ln(f-0) 式中， 0 、n 、f 分别表示最初(0次)，n次，最终(体积不变)的密度；C为体积的减少度，C=(V0-Vn)/ V0 ； a为最终的体积减少度，a值越小流动

11、性越好；k、b为充填速度常数，其值越大充填速度越大，充填越容易。 4、助流剂对充填性的影响 助流剂的粒径一般为40m左右，与粉体混合时在粒子表面附着，减弱粒子间的粘附从而增强流动性，增大充填密度。 用量为0.05%-0.1%(w/w)。,46,六、粉体的吸湿性与润湿性,(一)吸湿性(moisture absorption) 吸湿性是指固体表面吸附水分的现象。 药物的吸湿特性可用吸湿平衡曲线表示。 1、水溶性药物的吸湿性 水溶性药物在相对湿度较低的环境下，几乎不吸湿，而当相对湿度增大到一定值时，吸湿性急剧增加，一般把这个吸湿量开始急剧增加的相对湿度称为临界相对湿度(critical relati

12、ve humidity, CRH)。,47,水溶性物质的混合物吸湿性更强，根据Elder假说，水溶性药物混合物的CRH约等于各成分CRH的乘积，而与各成分的量无关。 2、测定CRH的意义 (1)CRH值可作为药物吸湿性指标，一般CRH愈大，愈不易吸湿； (2)为生产、 贮藏的环境提供参考； (3)为选择防湿性辅料提供参考，一般应选择CRH值大的物料作辅料。,48,2、水不溶性药物的吸湿性 水不溶性药物的吸湿性随着相对湿度的变化而缓慢发生变化，没有临界点。 水不溶性药物的混合物的吸湿性具有加和性。,49,50,(二)润湿性(wetting) 1、润湿性 润湿性是指固体界面由固-气界面变为固-液界

13、面现象。粉体的润湿性对片剂、颗粒剂等到固体制剂的崩解性、溶解性等具有重要意义。 固体的润湿性用接触角表示。 液滴在固体表面上所受的力达平衡时符合Yongs公式： Ysg=Ysl+Ylgcos 式中， Ysg、Ysl、Ylg分别固-气、固-液、气-液间的界面张力。,51,=0，完全润湿； =180，完全不润湿； =0-90，能被润湿；=90-180，不被润湿。,52,2、接触角的测定方法 (1)将粉体压缩成平面，水平放置后滴上液滴直接由量角器测定。 (2)在圆筒管里精密充填粉体，下端用滤纸轻轻堵住后接触水面，测定水在管内粉体层中上升的高度与时间。根据Washburn公式计算接触角： h2= rt

14、Ylcos /2 式中，h为t时间内液体上升的高度；Yl、分别为液体的表面张力与粘度；r为粉体层内毛细管半径。 由于毛细管半径不好测定，常用于比较相对润湿性。,53,七、粉体的粘附性与凝聚性,粘附性(adhesion)是指不同分子间产生的引力，如粉体粒子与器壁间的粘附。 凝聚性(cohesion，粘着性)是指同分子间产生的引力，如粉体粒子之间发生粘附而形成聚集体(random floc)。 产生粘附性和凝聚性的原因： 1、在干燥状态下主要是由于范德华力与静电力发挥作用； 2、在润湿状态下主要由于粒子表面存在的水分形成液体桥或由于水分的蒸发而产生固体桥发挥作用。,54,八、粉体的压缩性,(一)粉

15、体的压缩特性 压缩性(compressibility)表示粉体在压力下体积减少的能力。 成形性(compactibility)表示物料紧密结合成一定形状的能力。是指不同分子间产生的引力，如粉体粒子与器壁间的粘附。 1、 压缩力与体积的变化 粉体的压缩过程中伴随着体积的缩小，固体颗粒被压缩成紧密的结合体，然而其体积的变化较复杂。,55,2、压缩循环图 (1)压缩过程中力的分析,Fa-上冲力 Fb-下冲力 Fr-径向传递力 Fd-模壁摩擦力,56,径向力与轴向力的关系式： Fr=Fa/(1-) 式中， 为泊松比，是横向应变与纵向应变之比(=|横/ 纵|)，通常为0.4-0.5。 压力传递率(Fb/Fa)：当压缩达最高点时上、下冲力之比。 ln(Fb/Fa)=-4Kh/D 式中， 为颗粒与模壁的摩擦系数， =Fd/Fr；K为径向力与上冲力之比，K=Fr/Fa；D为成形物直径；h为成形物高度。 摩擦力Fd=Fa-Fb 压力的传递率越高，成形物内部的压力分布越均匀，最高为100