第十四章 流变学基础
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流变学基础及应用
h
r r
r3 P
毛细管流变学 8L Q 的基础!
P
Poiseuille-Hagen定律
2R
➢ 毛细管流变仪
HAAKE RheoCap S20
HAAKE RheoCap T1000
RH2100/2200
RH7D & RH10D
➢ 毛细管流变仪的功能
在聚合物工业中，无论旋转流变仪还是毛细管流变仪，其作用都是： 模仿聚合物加工过程中的流动和变形行为！
herbs in salad dressing
in the beginning
after 15min
流变学基础及应用
牙膏—一个典型的流变学问题
HH Welcome
使用牙膏时挤出要容易，挤出后要求挺 MZ HU括，在牙刷上不能下陷，刷牙时又要轻
松，这就是要求牙膏遇剪切时粘度迅速
S 下降，而静止时又要具备一定的屈服应
力，以保持坚挺。
提纲
I. 流变学基础
1．流变学定义及发展历史 2. 粘度计及流变仪简介 3. 稳态流变学 4. 动态流变学
under 5m
➢ HAAKE旋转流变仪
HAAKE RotoVisco1
HAAKE RheoStress1
HAAKE RheoStress600
HAAKE RheoScope
HAAKE Exten CaBer1
➢ TA旋转流变仪
AR500
AR1000
AR2000
ARES
ARES-1s
ARES-rda
➢ 流杯
Flow Cups
measurement of the flow time
determination of the kinematic viscosity
Rheology(流变学基础)
二．非牛顿流动
实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律， 实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律，如高分子溶 胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固液、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 不遵循牛顿粘度定律的物质称为 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 非牛顿流动。 顿流体，这种物质的流动现象称为非牛顿流动。 非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律，经 非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律， 作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、 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。 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。 对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。
对于这种粘弹性， 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： 粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示： 麦克斯韦尔（Maxwell） （一）麦克斯韦尔（Maxwell）模型 福格特（Voigt） （二）福格特（Voigt）模型 （三）双重粘弹性模型 （四）多重粘弹性模型
胀性液体的流动公式： 胀性液体的流动公式： /η D= Sn /ηa n<1，为胀性流体； n<1，为胀性流体； 当n接近1时，流动接近牛顿流动。 接近1 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， 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， 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。 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。 50%淀粉混悬剂 浓度混悬剂如50%淀粉混悬剂、糊剂等。
流变学原理
流变学原理流变学原理是研究物质在外力作用下的变形和流动特性的学科。
它是材料科学和工程学中的重要分支，广泛应用于工业生产和科学研究中。
流变学原理的研究对于了解物质的结构和性能具有重要意义，可以指导材料的设计和制备过程。
下面将详细介绍流变学原理的相关内容。
流变学原理的研究对象是流体和固体材料。
流体是指具有流动性质的物质，如液体和气体；固体是指具有一定形状和体积的物质。
流变学原理主要关注物质在外力作用下的变形行为，即物质的形状和体积发生改变。
物质的变形行为与外力的大小和方向有关，同时也受到物质本身的性质和结构所影响。
流变学原理的基本假设是物质的变形是连续的，即物质的各个部分之间不存在断裂或滑动。
根据这一假设，流变学原理可以通过实验和理论分析来研究物质的变形行为。
实验方面，流变学原理利用流变仪器对物质进行测试，获取物质在不同应力条件下的变形数据。
理论方面，流变学原理建立了描述物质变形行为的数学模型，通过数学分析和计算来预测物质的流变性能。
在流变学原理中，最重要的参数是应力和应变。
应力是物质受到外力作用时的反应，可以理解为单位面积上的力的大小。
应变是物质在外力作用下发生的形变，可以理解为单位长度上的变化量。
应力和应变之间的关系可以用应力-应变曲线来表示，曲线的斜率代表了物质的刚性和变形能力。
根据物质的不同性质，流变学原理可以分为液体流变学和固体流变学。
液体流变学研究液体在外力作用下的变形和流动特性。
液体的流变行为与其黏性和粘度有关，黏性越大，流体的阻力越大，流动越困难。
固体流变学研究固体材料在外力作用下的变形和流动特性。
固体的流变行为与其弹性和塑性有关，弹性固体在受力后可以恢复原状，塑性固体在受力后会发生形变而无法恢复。
流变学原理的研究不仅可以应用于工业生产中的材料设计和工艺改进，还可以用于科学研究中的材料性能评估和理论验证。
例如，在涂料工业中，流变学原理可以用来研究涂料的流动性和涂覆性能，优化涂料的配方和施工工艺。
14-药剂学-流变学基础
第二节 流变性质
一、牛顿流动 纯流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（Newtonian fluid)。 1/ η S=F/A=ηD D=S/η 粘度与剪切速度无关， 只要温度一定，粘度就一定
D
S
粘度的单位
η= S/D Pa.s ，mPa.s 达因.厘米－2.秒（泊,p） 1泊＝0.1 Pa.s 药学中常用厘泊（cp) 1cp=10-2泊＝10-3pa.s
一、牛顿流体的粘度与测定 1、毛细管粘度计
η1 = η2 ρ2 t2 ρ1t1
奥氏粘度计 平氏粘度计 乌氏粘度计
待测液体 t
毛细管
奥氏粘度计
平氏粘度计
t
落球粘度计
η＝t(ρb-ρl).B
非牛顿流体流动性质测定
对于非牛顿流体，一般不采取测定某一切变速度 下的粘度，因为非牛顿流体的粘度不是常数，而 随切变速度变化而变化。（见图） 非牛顿流体的流动性质应采用可改变切变速度的 粘度计进行测定。 如旋转式粘度计，借助于流体中旋转物体的粘性 阻力来测定粘度。 优点：切变速度可调范围广，可自动调节至程序 切变速度。
如分散相体积比相对较低时（0.05以下）时，其 系统表现为牛顿流动；随着相体积比增加，系统 的流动性下降，表现为假塑性流动；而体积比较 高时，转变为塑性流动。体积比接近0.74时产生 相转移，粘度显著增加。 减小粒子的平均粒径能增加乳剂的粘度。 在粒子平均粒径相同的情况下，粒度分布宽的系 统，粘度较小，粒度分布窄的系统粘度较高。 乳化剂浓度越高，制剂的粘度越大 剪切速度增大时，粘度减少。原因是液滴间距离 增大所致。
S0 S
假塑性流动
随着S值的增大而粘度下降的流动称为假塑性流 动。 D=Sn/ ηa ηa 表观粘度，随剪切速度的改变而改变 n越大，非牛顿性越大， n=1为牛顿流体 甲基纤维素、西黄耆胶等 链状高分子的1％水溶液 表现为假塑性流动
流变学课件
平均流速：对圆管面积平均，
V
=
1 2 Vmax
对直径或半径平均，
V
=
2 3 Vmax
流变学基础 --牛顿流体在圆管中的层流
管壁处流体的切变率：
v
=
Δp 4η l
⋅ (r02
−
r2)
⇒
γw
= dv dr
r=r0
=
2vmax r0
=
4v r0
vmax
=
Δp 4ηl
⋅ r02
流量一定，切变率与管径成反比；
“万物皆流” －－Heraclitus
“逝者如斯夫，不舍昼夜”
生物流变学
一个既研究物体的流动又研究其变形的 科学称为流变学(rheology)，其中研究生命 现象中的流变学部分称为生物流变学 (biorheology)。
研究生物体及其各个组成系统、器官、细胞和生物 大分子的流变性以及它们所表现出来的生命活动中 的流变现象的这一部分称为生物流变学。
1
生物流变学
流变性：物体在适当的外力作用下能够流动或 变形的特性。 流变学的研究对象无所不包: 鱼在水里游，鸟在天上飞，人在地上走；肌肉 的收缩和舒张；神经的兴奋和传导；骨、关节、 韧带等的变形；细胞的分裂、融合，胞吞、胞吐， 白细胞的吞噬作用等。
血液流变学
研究血液及其有形成分流动与变形规律 的部分称为血液流变学（hemorheology）。
所以τ：× 2πrl = πr 2Δp τ × 2l = rΔp
τ = τ w ⋅ r / r0
⇒ τ = r ⋅ Δp / 2l τ w = r0 ⋅ Δp / 2l
流变学基础 --牛顿流体在圆管中的层流
速度分布：符合泊肃叶定律速度分布式
《流变学基础》课件
应变：物体受到外 力作用时，形状或 尺寸发生的变化
应变速率：物体应 变的速度，通常用 单位时间内应变的 变化量来表示
应力、应变和应变速 率是流变学的基本概 念，它们之间的关系 是流变学研究的核心 内容
屈服点：材料在受 到外力作用下，开 始发生塑性变形时 的应力值
屈服应力：材料在 屈服点时的应力值
研究方向：多 学科交叉融合， 如生物流变学、 环境流变学等
技术挑战：提 高测量精度、 开发新型流变
仪等
应用领域：拓 展到更多工程 领域，如航空 航天、生物医
学等
理论创新：建 立更完善的流 变学理论体系， 解决复杂流变
问题
汇报人：
流变学中的本构方程是描述材料在应力作用下的变形和流动的基本方程。 本构方程可以分为线性本构方程和非线性本构方程。 线性本构方程是最简单的本构方程，它假设材料的变形和流动是线性的。 非线性本构方程则考虑了材料的非线性变形和流动特性。
PART FIVE
流变仪：用于测量流体的流变 特性
旋转流变仪：用于测量流体的 剪切应力和剪切速率
温度升高，流变特性增强 压力增大，流变特性减弱 温度和压力共同作用，影响流变特性 实验和测量技术：需要精确控制温度和压力，以获得准确的流变特性数据
流变特性：材料在应力作用下的变形和流动特性
微观结构：材料的内部结构，包括原子、分子、晶格等
机理：流变特性的物理和化学机制，如分子间的相互作用、晶格变形等
玻璃材料：具有透明、易加工、耐腐蚀等特点，广泛应用于建筑、光学等领域
流变学在陶瓷和玻璃材料中的应用：研究材料的变形、断裂、蠕变等行为，为材料的设 计和加工提供理论依据
流变学在陶瓷和玻璃材料中的应用实例：陶瓷材料的烧结工艺、玻璃材料的成型工艺等
流变学基础
流变学基础
一、概述
• 观察河中的流水：尽管水流方向一致，但水流速度却不 同，中心处的水流最快，靠近河岸水流较慢。 • 因此，在流速不太快时，可以将流动着的液体视为互相 平行移动的一个个液层；由于各层的速度是不同的，所 以产生速度梯度dυ/dy，这是流动的基本特征。
• 因为有速度梯度存在，流动较慢 的液层阻滞着流动较快液层的运动， 所以产生流动阻力。
（一）流变学在混悬剂中的应用
• 如图，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。 • 图中用具有牛顿流体性质 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。
• 触变性物质在静置状态下 可形成凝胶，经振摇后转 变为液状。
（一）流变学在混悬剂中的应用
（二）非牛顿流体
• 4、触变流动——大多数非牛顿流体 均具有触变性，凝胶、溶胶为典型 触变性体系。 • 特点： • 1)上升曲线与下降曲线不重合，形 成环形滞后曲线； • 2)上升和下降曲线包围成一定面积， 称为滞后面积，这种现象称为滞后 现象； • 3)滞后面积是衡量触变性大小定量 指标，其大小由切变时间和切变速 度决定。
SM
K
度液体， 平行圆板型用于测定高粘度液 体。
(a)双重圆筒型
(b)圆锥圆板形 (c)平行圆板型
图---旋转粘度hirley粘度计为圆锥—平板粘度计的一种类型。如 图所示。 • 测定方法为将试验液放在平板的中央，然后把平板推至上 面的圆锥下部，使试验液在静止的平板和旋转的圆锥之间 产生切变。
（二）流变学在乳剂中的应用
• 粘性的影响因素： • 分散相
• 连续相
• 乳化剂
（二）流变学在乳剂中的应用
• 分散相：与分散相相关的主要因素有相的体积比、 粒度分布、内相固有的粘度等。 • 分散相体积： • 粒度分布
一、概述
• 观察河中的流水：尽管水流方向一致，但水流速度却不 同，中心处的水流最快，靠近河岸水流较慢。 • 因此，在流速不太快时，可以将流动着的液体视为互相 平行移动的一个个液层；由于各层的速度是不同的，所 以产生速度梯度dυ/dy，这是流动的基本特征。
• 因为有速度梯度存在，流动较慢 的液层阻滞着流动较快液层的运动， 所以产生流动阻力。
（一）流变学在混悬剂中的应用
• 如图，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。 • 图中用具有牛顿流体性质 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。
• 触变性物质在静置状态下 可形成凝胶，经振摇后转 变为液状。
（一）流变学在混悬剂中的应用
（二）非牛顿流体
• 4、触变流动——大多数非牛顿流体 均具有触变性，凝胶、溶胶为典型 触变性体系。 • 特点： • 1)上升曲线与下降曲线不重合，形 成环形滞后曲线； • 2)上升和下降曲线包围成一定面积， 称为滞后面积，这种现象称为滞后 现象； • 3)滞后面积是衡量触变性大小定量 指标，其大小由切变时间和切变速 度决定。
SM
K
度液体， 平行圆板型用于测定高粘度液 体。
(a)双重圆筒型
(b)圆锥圆板形 (c)平行圆板型
图---旋转粘度hirley粘度计为圆锥—平板粘度计的一种类型。如 图所示。 • 测定方法为将试验液放在平板的中央，然后把平板推至上 面的圆锥下部，使试验液在静止的平板和旋转的圆锥之间 产生切变。
（二）流变学在乳剂中的应用
• 粘性的影响因素： • 分散相
• 连续相
• 乳化剂
（二）流变学在乳剂中的应用
• 分散相：与分散相相关的主要因素有相的体积比、 粒度分布、内相固有的粘度等。 • 分散相体积： • 粒度分布
第十四章-流变学基础分析
温度升高 粘度下降
3.5 不同性质药物对甲壳胺流变学性质的影响
分别制备含盐酸 雷 尼 替 丁 20% 、 40% 的 溶胶 , 于 20℃ 测 定 不 同 剪 切速度(D)下的切 应力(S) , 作其流 变曲线。
蠕变性(creep)：对物质附加一定重量时， 表现为一定的伸展性或形变，而且随时间 变化的现象。
粘弹性模型：
麦克斯韦尔(Maxwell)模型： 弹簧和缓冲器串联。
福格特(Voigt)模型： 接近于实际高分子 弹簧和缓和器并联。 材料的蠕变和恢复
曲线的现象。
双重粘弹性模型： 把几个Maxwell 和Voigt模型组合在一起
浓度越高，粘 度越大
3.3 pH值对壳聚糖流变学性质的影响
用 pH 值分别为 3.6、 4.5 和 6.0 醋酸-醋酸盐 缓冲液分别制备 1% 壳 聚糖Ⅲ 溶胶，于 20℃ 测量不同剪切速度(D) 下的切应力(S) ， 作流 变曲线。
pH 值较小时, 非牛 顿流体行为明显， 粘度较大
3.4 温度对甲壳胺流变学性质的影响
第三节 蠕变性质的测定方法
一、测定高分子液体流变学性质的途径：
测定使待测样品产生微小应变r(t) 时所需的 应力 S(t)；
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)。
具体测定方法：
不随时间变化的静止测定法，即r0 一 定时，施加应力 S0，适用于牛顿流体 的测定。
流动程度与流体本身的粘性(Viscosity)
有关，因此流动也可视为一种非可逆性 变形过程。
由3于. 粘具弹有弹性性（，v可is把co外e力lasticity）
做功的一部分转化为存储 在物质内部的应变能
3.5 不同性质药物对甲壳胺流变学性质的影响
分别制备含盐酸 雷 尼 替 丁 20% 、 40% 的 溶胶 , 于 20℃ 测 定 不 同 剪 切速度(D)下的切 应力(S) , 作其流 变曲线。
蠕变性(creep)：对物质附加一定重量时， 表现为一定的伸展性或形变，而且随时间 变化的现象。
粘弹性模型：
麦克斯韦尔(Maxwell)模型： 弹簧和缓冲器串联。
福格特(Voigt)模型： 接近于实际高分子 弹簧和缓和器并联。 材料的蠕变和恢复
曲线的现象。
双重粘弹性模型： 把几个Maxwell 和Voigt模型组合在一起
浓度越高，粘 度越大
3.3 pH值对壳聚糖流变学性质的影响
用 pH 值分别为 3.6、 4.5 和 6.0 醋酸-醋酸盐 缓冲液分别制备 1% 壳 聚糖Ⅲ 溶胶，于 20℃ 测量不同剪切速度(D) 下的切应力(S) ， 作流 变曲线。
pH 值较小时, 非牛 顿流体行为明显， 粘度较大
3.4 温度对甲壳胺流变学性质的影响
第三节 蠕变性质的测定方法
一、测定高分子液体流变学性质的途径：
测定使待测样品产生微小应变r(t) 时所需的 应力 S(t)；
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)。
具体测定方法：
不随时间变化的静止测定法，即r0 一 定时，施加应力 S0，适用于牛顿流体 的测定。
流动程度与流体本身的粘性(Viscosity)
有关，因此流动也可视为一种非可逆性 变形过程。
由3于. 粘具弹有弹性性（，v可is把co外e力lasticity）
做功的一部分转化为存储 在物质内部的应变能
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弹性变形
塑性变形
3
二、剪切应力与剪切速率
剪切速度：由于各层的速度不同， 便形成速度梯度du/dy，称剪切 速度，用D表示。 剪切力：使各液层间产生相对运 动的外力 。 剪切应力：在单位液层面积（A） 上所需施加的这种力称为剪切应 力，用S表示。
4
流变学在药剂学中的应用
流变学在药剂学中广泛应用，特别是在混悬剂、乳剂、
胶体溶液、软膏剂和栓剂中。 例如：①具有触变性的助悬剂对混悬剂的稳定性十分 有利；使用混合助悬剂时应选择具有塑性和假塑性流 动的高分子化合物混合使用为佳。②乳剂具有触变性 有利于乳剂的稳定。
5
一、牛顿流动
牛顿方程: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，为牛顿方程。
牛顿流体：遵循该法则的液体叫牛顿流体。
（三）胀性流动(dilatant flow)
胀性流动曲线 ：曲线经过原点，且随着剪切应力的增 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（dilatant flow）曲线 。
如滑石粉或淀粉。
15
胀性流体的结构变化示意图
16
三、触变流动(thixotropic flow)
触变性(thixotropy):象这种随着剪切应力增大，粘度下
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Pa·s，1Pa·s=10P(泊)]，
6
牛顿液体的特点： ①一般为低分子的纯液体或稀溶液； ②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。
7
二、非牛顿流体
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。 非牛顿流动：非牛顿液体的流动现象。
8
流变曲线:以切变速率D为纵坐标，切应力S为横 坐标作图，所得曲线为流变曲线或流动曲线。
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.
9
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。
10
（一）塑性流动(plastic flow)
11
塑性流体的结构变化示意图
12
（二）假塑性流动(pseudoplastic flow)
假塑性流动：随着S值的增大而粘度下降的流动称 为假塑性流动。
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。
如西黄蓍胶、甲基纤维素等。
13
假塑性流体的结构变化示意图
14
降，剪切应力消除后粘度在等温条件下缓慢地恢复到 原来状态的现象称为触变性。 其流动曲线的特性表现为剪切应力的下降曲线与上升 曲线相比向左迁移，在图上表现为环状滞后曲线。也 就是说，与同一个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。
17
即所谓的触变性是施加应力使流体产生
药剂学 pharmaceutics
第十四章
流变学基础
主讲教师：杜 艳 山西医科大学药剂教研室
第十四章
流变学基础
第一节 概述 第二节 流变性质 第三节 蠕变性质的测定方法
2
第一节 概述
一、基本概念
流变学(rheology):系指研究物体在外力作用下发生变形和流动的 科学，1929年由Bengham和Crawford提出。 内应力：液体在运动中都会受到力的作用，单位面积上所用的力称 内应力。 弹性
19
第三节 蠕变性质的测定方法
一点法
旋转或转动测定法
20
粘度的测定
毛细管粘度计
式中为粘度，P为液体密度．t是样品流过毛 细管的时间。
21
落球黏度计
旋转黏度计
22
流动时，流体的粘性下降，流动性增加；
而停止流动时，其状态恢复到原来性质
的现象。
18
四、黏弹性
粘弹性： 高分子物质或分散体系，具有粘性 和弹性的双重特性，我们把这种性质称为粘弹 性。 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，把这种现象称 为应力缓和。 对物质附加一定重量时，表现为一定的伸展性 或形变，而且随时间变化，把这种现象称为蠕 变性。
塑性流动：不过原点；有屈服值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。 屈服值(yield value)：引起塑性液体流动的最低 切应力S0 塑性液体的流动公式：D=(S- S0)/ D为切变速度，S为切应力， S0 为屈服值， 为 塑性粘度(表观粘度)。 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。