流变学基础

第14章
流变学基础
第一节
一．流变学的基本概念
概
述
流变学 —— 来源于希腊，由 Bingham 和 Crawford 为了表 示液体的流动和固体的变形现象而提出来的概念。 流变学主要是研究物质的变形和流动的一门科学。 变形：对某一物体外加压力，其内部的各部分的形状和 体积发生的变化。主要与固体的性质相关。 对固体施加外力，则固体内部存在一种与外力相对抗的 内力使固体恢复原状。此时在单位面积上存在的内力称为 应力（Stress）。
下的粘度。
根据公式得知牛顿液体的切变速度 D与切变应力 S之间如下图所示，呈直线关系且直线经过原点。
(a)牛顿流动
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、软膏以及固-液的不均匀 体系的流动。把这种不遵循牛顿粘度定律的物质称为非牛 顿流体，这种物质的流动现象称为非牛顿流动。

（二）假塑性流动（pseudoplastic flow）
随着S值的增大粘度下降的流动现象称为假塑性流动。
D 1
a
S (n 1)
n
（c）假塑性流动 式中，ηa ——表观粘度（apparent viscosity）。 假塑性流动的特点：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。 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于絮凝状态的液体。
D
S S0

(b)塑性流动
η——塑性粘度（plastic viscosity）；S0——屈伏值、致流值或降 伏值，单位为dyne· ㎝-2。
塑性流体的结构变化示意图

塑性流动的特点：不过原点；有屈伏值S0； 当切应力S< S0时，形成向上弯曲的曲线； 当切应力S> S0时，切变速度D和切应力呈 直线关系。 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。
触变性的测定可以通过计算滞后环状曲线所包围的 面积，推测由触变流动而产生的结构的破坏和恢复原 来状态的程度。通过这种方法可以控制制剂的特性和 产品的质量。
三.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。 应力缓和(stress relaxation)：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。 蠕变性(creep)：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。
温度对软膏基质稠度 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。 右图中可以看出，温 度对两种基质的塑性流 动影响是一样的，而且 降伏点的温度变化曲线 也表现为同样的性质。

而对其触变性而言，
右图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。
制成理想的混悬剂的基质。
（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。例如，为了使皮肤科用的制剂或化妆品达 到其质量标准，必须调节和控制好制剂的伸展性。另外， 为了使皮肤注射用乳剂容易通过注射用针头，且容易从容 器中倒出以及使乳剂的特性适合于工业化生产工艺的需要 ，掌握制剂处方对乳剂流动性的影响非常重要。 乳剂中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。
(一）流变学在混悬剂中的应用
流变学可应用于讨论影响混悬液中分散粒子沉降时的 粘性及经过振荡从容器中倒出混悬剂时的流变性质的变化 。同时也可以应用于投药部位的洗剂的伸展性能等方面。 混悬液在静止状态下所产生的切变应力，如果只考虑悬浮 粒子的沉降，由于其存在的力很小，故可以忽略不计。但 是，经过振摇后把制剂从容器中倒出时可以观察到存在较 大的切变速度。 Mervine 和 Chase 提出混悬剂在贮藏过程中切变速度小 ，显示较高的粘性，切变速度变大，显示较低的粘性。即 混悬剂在振摇、倒出及铺展时能否自由流动是形成理想的 混悬剂的最佳条件。

非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律，经 作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、胀 形流动、触变流动。


对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。
（一）塑性流动(plastic flow) 塑性流动交点，得屈伏值（yield value）或降伏值。 当切变应力增加至屈伏值时，液体开始流动，切变速度 D和切变应力S呈直线关系。液体的这种性质称为塑性流动 。引起液体流动的最低剪切应力为屈伏值S0：
实际上，某一种物质对外力表现为弹性和粘性双重特性 （粘弹性）。这种性质称为流变学性质，对这种现象进行 定量解析的学问称为流变学。
切变应力与切变速率
在流速不太快时，可将流动着的液体视为互相平行移 动的液层叫层流（如下图），由于各层的速度不同，便形 成速度梯度du/dy，这是流动的基本特征。 u y
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。图中用 牛顿流体性质的甘油为对照组 进行实验，结果说明，甘油的 粘性作为悬浮粒子的助悬剂较 为理想。如果从容器中到出以 及在皮肤表面涂膜时其粘度较 高,由于甘油本身的稠度较大 ，且吸湿性高，所以不经稀释 则无法使用。触变性物质在静 臵状态下可形成凝胶，经振摇 后转变为液状。
触变流动的特点：等温的溶胶和凝胶的可逆转换。
塑性流体、假塑性流体、胀性流体中多数具有触变性， 它们分别称为触变性塑性液体、触变性假塑性液体、触 变性胀性液体。
其流动曲线的特性表现为剪切应力的下降曲线，并 与上升曲线相比向左迁移。在图上表现为环状滞后曲 线。也就是说，用同一个S值进行比较，曲线下降时粘 度低，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，而是存在一种时间差。即所谓的触变性 是施加应力使其流体产生流动时，流体的流动性暂时 性增加。
（三）流变学在半固体制剂中 的应用 在制备软膏剂和化妆品用 雪花膏时，必须控制好非牛顿 流体材料的浓度（稠度）。右 图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：当亲水性 凡士林中加入水，屈服点由 520g下降到320g，同时其塑性 粘度（下降曲线斜率的倒数） 和触变性随着水的加入而增大 。
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： （一）麦克斯韦尔（Maxwell）模型 （二）福格特（Voigt）模型 （三）双重粘弹性模型
（四）多重粘弹性模型
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 理论对乳剂、混悬剂、半固体制剂等的剂型设计、处方组 成以及制备、质量控制等进行评价。 如制备医疗和化妆品用的雪花膏、糊剂、洗涤剂时必 须调整适当的稠度和润滑性，才能使其制剂达到良好的重 现性。制备制剂时选择的装臵不同，流变学的性质也不一 样。而且，如果在制备过程中制备装臵选择不当，制剂的 流变学性能得不到满意的效果。 一种物质的流变性和变形按其类别可以分两类：一种 为牛顿流变学，另一种为非牛顿流变学。
分散相相关的几个因素主要有相的体积比，粒度分布， 内相固有的粘度等。如分散相体积比相对较低时（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。如果体积比接近0.74时产生相的转移，粘度 显著增大。而且平均粒子径变小，粘度增大，同时在同样 的平均粒子径条件下，粒度分布范围广的系统比粒度分布 狭的系统粘度低。 另外，影响乳剂粘度的还有一个主要因素为乳化剂。 膜的物理学特性和电学性质也是影响乳剂粘性的重要 因素之一。
右图表示的是皂土、羧甲基纤 维素钠以及皂土和羧甲基纤维 素钠混合物的稠度曲线（consistency curve）：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，
剂型设计和制备工艺过程中流变学的主要应用领域
由外部应力而产生的固体的变形，如除去其应力，则固 体恢复原状，这种性质称为弹性（Elasticity）。
把这种可逆性变形称为弹性变形（elastic deformation），而非可逆性变形称为塑性变形（plastic deformation）。 流动主要表示液体和气体的性质。流动的难易与物质本 身具有的性质有关，把这种现象称为粘性（Viscosity）。 流动也视为一种非可逆性变形过程。
表征体系流变性质的两个基本参数：
1. 在单位液层面积（A）上施加的 使各液层间产生相对运动的外力称 为剪切应力，简称剪切力（sheari g force）,单位为N/m2，以S表示。 2.剪切速度（rate of shear）， 单位为S-1，以D表示。
第二节
一．牛顿流动
流变性质
牛顿粘度定律：纯液体和多数低分子溶液在层流条件下 的剪切应力（S）与剪切速度（D）成正比。遵循该法则的 液体为牛顿流体。
（三）胀性流动（dilatant flow）
胀性流动曲线曲线经过原点，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）。
胀性液体的流动公式： D= Sn /a n<1，为胀性流体； 当n接近1时，流动接近牛顿流动。
（d）胀性流动
胀性流体的结构变化示意图
• 胀性流动的特点：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。 • 在制剂中表现为胀性流动的剂型为含有大量固体微粒的高 浓度混悬剂如50%淀粉混悬剂、糊剂等。