Добавил:
kiopkiopkiop18@yandex.ru Вовсе не секретарь, но почту проверяю Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

3 курс / Фармакология / Дисперсные_лекарственные_препараты_и_их_классификация_Цагареишвили

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
24.03.2024
Размер:
1.05 Mб
Скачать

параллельные слои (в случае трубки на коаксиальные цилиндры). Слои жидкости, непосредственно прилегающие к неподвижной пластинке и стенкам трубки, прилипают к ним и остаются неподвижными, следующие же слои перемещаются с тем большой скоростью, чем ближе они к смещающейся пластинке и оси трубки. Каждый слой, таким образом, движется со своей постоянной скоростью v. Если обозначить разность скоростей между двумя соседними слоями через v, а расстояние между слоями через х то

v (или при очень малой разности скоростей и достаточно тонких слоях

x

 

 

жидкости

v

будет называться градиентом скорости — velocity gradient,

x

 

 

Geschwindigkeitsgefülle. Сопротивление сдвигу пластинки (и любого из параллельных слоев жидкости) оказывается пропорциональным скорости сдвига. Закон вязкости Ньютона связывает эти две величины:

F

S

vx

,

где F — сила сдвига, S — площадь, к которой приложена эта-сила, η — коэффициент, зависящий от свойств жидкости, или так называемый коэф-

фициент вязкости. Введя представление о напряжении сдвига

F

(Shear-

S

 

 

ing stress Schubspannung), из уравнения Ньютона можно получить выражение, характеризующее физический смысл коэффициента вязкости:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дин

см

-2

г см сек

-2

см

-2

 

=

 

 

 

 

сек

-1

сек

-1

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

г

см

1

сек

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

где т — напряжение сдвига (дин · см -2), D — величина, обозначающая градиент скорости (см · сек-, 1см-1 сек-1).

Когда значения всех величин равны единице, то коэффициент вязкости, иначе называемый просто вязкостью, принимает значение 1 пуаза:

1 г

 

1 пуаза (обозначение п)

 

 

1 см 1

 

сек

Единицу вязкости в честь французского ученого Пуазейля называют пуазом. 1 пуаз равен вязкости жидкости, которая оказывает сопротивление в 1 дину взаимному перемещению двух параллельных плоскостей площадью в 1 см2, находящихся друг от друга на расстоянии 1 см и перемещающихся одна относительно другой со скоростью 1 см/сек. Для выражения вязкости часто пользуются сантипуазом (одной сотой пауза) — спз.

41

Во многих случаях удобно выражать вязкость в виде отношения коэффициента вязкости и плотности.

v

 

 

 

,

где ρ — плотность, v — носит название кинематической вязкости. Для того, чтобы отличить v от η, последнюю называют динамической вязкостью. В системе CGS размерность кинематической вязкости см2/сек и единица кинематической вязкости стоке (обозначается — ст). Сотая часть стокса называется сантистоксом (сст),

Закон Ньютона справедлив и вязкость является константой вещества лишь в том случае, если жидкость течет послойно, как изображено на рис. 1. Такое послойное течение называется ламинарным. При больших скоростях течения ламлиарность нарушается, слои перемешиваются, появляются вихри, течение переходит в турбулентное. В этих условиях закон Ньютона уже неприменим.

Второй закон вязкого течения, соблюдающийся также только в условиях ламинарного потока, предложен Пуазейлем. Математическое выражение этого закона связывает объем жидкости, протекающий через капилляр, с действующей внешней силой (давлением), вязкостью, временем истечения, длиной и радиусом капилляра.

Q r4 p

8 l

где Q — объем жидкости, протекающей за время т через капилляр радиусом r и длиной l; η — вязкость жидкости; р — перепад давления на концах капилляра.

Уравнение Пуазейля играет важную роль в вискозиметрии. Из него следует, что объем жидкости, протекающей за единицу времени через

трубу, обратно пропорционален ее вязкости. Выразив Q через

v t

, где v —

объем жидкости, t — время, и приняв размеры трубы и разность давления на ее концах постоянными, получим:

v

 

c

t

 

 

или t

v

C

 

,

откуда следует, что время протекания постоянного объема жидкости через трубу пропорционально ее вязкости.

Из уравнений Ньютона—Пуазейля видно, что вязкость жидкостей не зависит от напряжения сдвига, оказываемого на нее. Поэтому в координатах напряжения сдвига — вязкость последней изображают прямой, параллельной оси абсцисс. Если же при той же абсцисс на оси ординат будут отложены значения градиента скорости, то вязкость выразится прямой, проходящей через начало координат. Известно, что вязкость прямо пропорциональна напряжению сдвига и обратно пропорциональна градиенту скоро-

42

сти. Иначе говоря, при любом значении величины напряжения сдвига вязкость остается постоянной.

Системы, вязкость которых не зависит от величины напряжения сдвига, принято называть ньютоновскими, а их вязкость определяется как нормальная или идеальная. Последняя выражается через котангенс угла α, образуемого прямой вязкости с осью абсцисс.

Все газы, жидкости и растворы с небольшой молекулярной массой попадают в эту категорию. Особое исключение составляют коллоидные суспензии и растворы полимеров с значительными молекулярными массами. Эти жидкости заметно отклоняются от ньютоновских в том смысле, что их вязкость, является функцией от величины прилагаемого напряжения сдвига. Их называют неньютоновскими или структурновязкими системами. Кривая зависимости вязкости от напряжения сдвига для таких систем состоит из двух частей: части зависящей от напряжения сдвига, изображающей аномальную или структурную вязкость, и части, проходящей параллельно оси абсцисс, которая, как и в ньютоновских жидкостях, указывает на постоянство вязкости при различных напряжениях сдвига.

Характеристика текучести ньютоновских материалов. Одной из важнейших проблем современной коллоидной химии — физико-химии дисперсных систем — является проблема образования различного рода пространственных структур в дисперсных системах и управления процессами структурообразования и свойствами дисперсных структур. Развитие этого раздела коллоидной химии способствовало возникновению самостоятельной области химической науки — физико-химической механики дисперсных структур и материалов, основоположником которой в СССР

является академик П. А. Ребиндер [130]. Задача этой науки, объединяющей проблемы реологии (структурной механики), состоит прежде всего в установлении механизма и закономерностей процессов образования, деформации и разрушения дисперсных структур различного типа, начиная от жид- ко-образных и кончая высокопрочными.

Согласно П. А. Ребиндеру, структуры в коллоидных и микрогетерогенных системах можно разделить на коагуляционные (тиксотропнообратимые) и конденсационно-кристаллизационные (необратиморазрушающиеся). Коагуляционные структуры, являющиеся простейшими и наиболее широко распространенным типом дисперсных структур, представляют собой рыхлые каркасы из первичных частиц, их цепочек и агрегатов, образованных сцеплением частиц, ван-дер-ваальсовыми силами. Развитие коагуляционной структуры, пронизывающей весь объем системы, происходит в результате благоприятных броуновских соударений. При образовании коагуляционной сетки и отдельных ее элементов — агрегатов или цепочек — в контакте между частицами остается весьма тонкая прослойка жидкой дисперсионной среды. В связи с наличием таких тонких устойчивых прослоек жидкой среды в участках коагуляционного сцепления, препятствующих дальнейшему сближению частиц, коагуляционные

43

структуры обладают характерными реологическими свойствами. Чем толще прослойка среды между частицами, тем меньше сказывается действие молекулярных сил, обусловливающих сцепление частиц, тем менее прочна структура и тем жидкоо6разней система.

Системы с коагуляционными структурами обладают, как правило, небольшой прочностью, пластичностью, эластичностью. Мази, пасты, эмульсии, суппозитории, кремы относятся к системам, характеризующимся коагуляциолным типом структур. В связи с этим, рассмотрим более детально свойства, проявляемые этими структурами.

Неньютоновские жидкости с коагуляционной структурой можно разбить на две обширные группы:

1.Системы с реологическими характеристиками, не зависящими от времени.

2.Системы, реологические свойства которых зависят от времени.

Неньютоновские жидкости с реологическими свойствами, не завися-

щими от времени

Эта группа жидкостей, реологические свойства которых не зависят от времени, может быть описана реологическим уравнением:

f

D

,

из которого следует, что скорость сдвига в каждой точке жидкости является простой функцией напряжения сдвига в той же точке. В свою очередь, эта труппа жидкостей подразделяется на следующие три группы:

а) псевдопластичные или квазипластичные жидкости; б) дилатантные жидкости; в) бинтамовские пластичные жидкости.

Псевдопластичное течение

Псевдопластичные (квазивязкие) жидкости характеризуются тем, что они не обнаруживают предела текучести [133]. Кривая псевдопластичной жидкости, в отличие от идеальной, не изображается прямой линией, аимеет некоторую вогнутость, что указывает на отсутствие прямой пропорциональной зависимости между напряжением сдвига и градиентом скорости в этих системах. Начало кривой совпадает с началом координат, а это указывает, что течение жидкости начинается при самом незначительном напряжении сдвига (как в ньютоновских жидкостях), при котором начинает разрушаться структура. С ростом напряжения сдвига и градиента скорости происходит разрушение структуры во все большей степени, которое, однако, никогда не доходит до конца, так как некоторая доля связей, образующих пространственную структуру, успевает обратимо восстанавливаться в потоке даже при больших скоростях течения. Такое течение в разрушенной структуре характеризуется прямолинейным отрезком и описывается уравнением:

44

d K

d

,

D

 

 

где τd — отрезок, отсекаемый на оси τ продолжением прямой АВ, K — константа прибора,

τd — это то добавочное давление, которое необходимо для разрушения структуры. Таким образам, градиент скорости D пропорционален тому действующему напряжению сдвига τ—τd, под которым течет жидкость. Величина τd, отнесенная к единице поверхности, называется предельным динамическим напряжением сдвига.

Статическое напряжение сдвига вычисляется таким же образом по напряжению сдвига в, отвечающему началу текучести (точка С), и характеризует усилие, необходимое для начального разрушения структуры (начало текучести), в то время как величина td представляет собой то усилие, которое затрачивается на разрушение структуры в текущей жидкости.

Растворы таких суспендирующих веществ и загустителей, как трагакант, желатин, водорастворимые зфиры целлюлозы (натрий карбоксиметилцеллюлоза, метилцеллюлоза, оксипропилметилцеллюлоза и т. д.) и другие водорастворимые слизи и камеди проявляют псевдопластичное течение.

Псевдопластичное течение характерно для высокополимеров, у которых образуется внутренняя сетчатая структура, связывающая значительное количество растворителя. Длинные макромолекулы, сцепляясь по концам, образуют пространственные структурные сетки, в которых находится механически захваченный («иммобилизованный») растворитель. Благодаря такому взаимодействию между молекулами вся система представляет собой единое целое. Такие структуры сильно загущают раствор. Приложенное напряжение сдвига изменяет конфигурацию расположения макромолекул и вызывает сложную перегруппировку их, связанную с преодолением сил взаимодействия между ними. Макромолекулы, выведенные из равновесных положений в момент действия напряжения сдвига, переходят к новым состояниям не сразу, а постепенно. С увеличением прилагаемого напряжения сдвига структура все больше разрушается и вязкость системы уменьшается.

Дилатантное течение

Дилатантные жидкости сходны с псевдопластичными тем, что в них также отсутствует предел текучести, однако, в отличие от них, их вязкость повышается с возрастанием напряжения сдвига. Такой тип течения открыт Рейнольдсом и заключается в следующем. Некоторые весьма концентрированные суспензий при низких скоростях течения обладают малой вязкостью, и, следовательно, значительной подвижностью. Однако, при более высоких скоростях течения вязкость резко возрастает, суспензии становятся малоподвижными. Суспензии в состоянии покоя имеют минимальный объем прослоек между твердыми частицами и жидкости хватает только для

45

заполнения этих прослоек. Когда такие материалы подвергаются сдвигу с небольшой скоростью, жидкость служит смазкой, уменьшающей трение частиц друг о друга, и напряжения сдвига, следовательно, невелики. При больших напряжениях плотная упаковка частиц нарушается, материал разбухает, то есть несколько увеличивается в объеме, и размеры жидких прослоек возрастают. Теперь уже при новой структуре жидкости недостаточно для смазки трущихся друг о друга частиц, и прилагаемые напряжения сдвига должны быть значительно большими, Процесс структурообразования и является причиной быстрого нарастания вязкости при увеличении напряжения сдвига.

Согласно У. Л. Уилкинсону [126], термин «дилатантная жидкость» можно применять для тех жидкостей, вязкость которых с увеличением напряжения сдвига повышается. Некоторые из таких жидкостей, как крахмальные растворы, не могут быть отнесены к суспензиям в обычном смысле этого слова и .не расширяются при сдвиге. Следовательно, приведенное выше объяснение к ним не подходит, но тем не менее их обычно называют дилатантными жидкостями.

Е. И. Ковалевская [132] отмечает, что крахмальные клейстеры все же имеют предел текучести, что несвойственно дилатантному течению. Вначале с ростом напряжения сдвига наблюдается возрастание вязкости растворов, дальнейшее повышение .нагрузки вызывает падение вязкости, что является признаком реопектических жидкостей. Она считает, что крахмальные растворы по своим реологическим свойствам занимают промежуточное положение между дилатантными и реопектическими системами.

В фармацевтической технологии производства МЛС дилатантные жидкости встречаются реже, чем псевдопластичные и пластичные.

Пластичное бингамовское течение

Как мы уже указывали выше, неподчинение закону Ньютона характерно для структурированных систем. Это обусловливается либо наличием

вжидкости несвязанных друг с другом обрывков структуры, либо малопрочной сплошной структурной сетки, способной разрушаться при воздействии на систему сравнительно малых усилий.

Впервом случае система будет вести себя при течении как жидкость,

вкоторой находятся частицы, способные деформироваться или ориентироваться. Обрывки структурной сетки будут (разрушаться в результате различной скорости слоев в потоке, а отдельные элементы разрушенной сетки, если они имеют вытянутую форму, будут ориентироваться своей осью по направлению течения.

Второй случай более сложен. В 1922 г. Бинтам предположил, что при наличии в системе малопрочной пространственной структуры, способной разрушиться в вискозиметре, течение системы произойдет не при самом незначительном напряжении (сдвига, а лишь тогда, когда оно примет опре-

46

деленное значение, достаточное для частичного разрушения структуры. Минимальное значение величины напряжения сдвига, необходимое и достаточное для начала течения системы, называется первым пределом текучести или практической точкой течения и на оси абсцисс обозначается τх. При дальнейшем увеличении напряжения сдвига проходит некоторый период псевдопластичного течения, после чего наступает так называемое истинное пластичное течение, которое, как и в идеальновязких системах, изображается прямой линией. Это означает, что при таких значениях напряжения сдвига вязкость постоянная не зависит от величины прилагаемого напряжения.

Продолжение прямой части кривой пластичного течения до пересечения с осью абсцисс дает теоретическую точку течения или предел текучести по Бингаму — τf (Gield value) • τm максимальный предел текучести, при котором кривая переходит в прямую линию. Очевидно, что τm представляет собой то напряжение, при котором структура в жидкости разрушается полностью. Все три предела являются характеристикой реологических свойств структуры, существующей в системе. Отношение проекции прямой на оси абсцисс к соответствующей ординате дает котангенс угла α, образуемого продолжением прямой с осью абсцисс:

Ctg

f

D

 

u

.

Полученное значение и называется пластичной вязкостью. Объяснение поведения бингамовских пластичных жидкостей исходит

из предположения о наличии у покоящейся жидкости пространственной структуры, достаточно жесткой, чтобы сопротивляться напряжению сдвига, не превосходящему по величине τх.

К бингамовским реальным пластичным жидкостям относится большинство мазей, кремов, паст, основ для суппозиториев и т. д.

Неньютоновские жидкости, реологические свойства которых зависят от времени

Большинство реальных жидкостей не могут быть описаны простой реологической зависимостью τ=f(D), которая применима к жидкостям, где связь между напряжением сдвига и градиентом скорости не зависит от времени. Реологические свойства более сложных дисперсных систем и высокомолекулярных соединений определяются не только скоростью сдвига, но и продолжительностью сдвига. Такие системы, в соответствии с тем, убывает или возрастает со временем напряжение сдвига, подразделяются на две группы: тиксотропные и реопектические.

Тиксотропия. Разрушение структуры при сдвиге

В результате работ академика П. А. Ребиндера и его школы было показано, что при любой скорости течения в коагуляционной структуре протекает два противоположных процесса — разрушение и восстановление.

Было замечено, что некоторые гели и студни под влиянием механического воздействия (встряхивания, перемешивания, взбалтывания и т. д.)

47

разжижаются. Оставленные в спокойном состоянии такие разжиженные системы через некоторое время самопроизвольно застудневают. Это явление Фрейндлихом было названо тиксотропией.

Тиксотропию можно рассматривать как обратимый изотермический процесс:

 

золь

гель

 

раствор

студень

Если тиксотропный материал, находящийся в состоянии покоя, подвергнуть воздействию напряжением с постоянной скоростью сдвига, то его структура будет постепенно разрушаться, а вязкость снижаться со временем. Скорость разрушения структуры при определенной скорости сдвига зависит от числа связей до начала разрушения структуры и должна поэтому уменьшаться с течением времени. Одновременно будет также возрастать скорость восстановления структуры, так как число возможных новых связей увеличивается. В конце концов, когда скорости структурообразования и разрушения структуры станут равны друг другу, наступит динамическое равновесие.

Полагают, что в тиксотропных системах сравнительно высокая вязкость затрудняет броуновское движение, благодаря чему сокращается количество контактов частиц или макромолекул и уменьшаются силы сцепления между ними. Это и обусловливает получение структур, легко разрушающихся при размешивании и встряхивании. Тиксотропия эмульсий и растворов выеокополимеров связана с деформацией частиц и макромолекул под нагрузкой и. замедленным восстановлением их первоначальной формы после снятия напряжения сдвига.

При приложении напряжения сдвига к тиксотропному материалу в координатах τ—D образуется «восходящая» кривая, а при постепенном снятии напряжения, скорость деформации изменяется. Под влиянием больших напряжений сдвига происходит такое ослабление структуры, что в период

.вновь убывающего напряжения сдвига восстановление прежней структуры запаздывает и получается другая кривая текучести — «нисходящая». Такое поведение систем, сохраняющих остаточные деформации под влиянием: приложенного, напряжения, принято называть гистерезисом. Вот почему их реограммы называются петлей гистерезиса. По величине площади петли гистерезиса, заключенной между «восходящей» и «нисходящей» кривыми, судят о степени разрушения структуры.

Для количественной оценки тиксотропии обычно определяют скорость, студне- и гелеобразования и прочность получаемых гелей и студней. Тиксотропное поведение веществ можно характеризовать через коэффициенты тиксотропной деформации М и В, вычисляемые по формулам [133].:

M u1 u2 ;

ln D2

D1

B u1 u2 .

ln t2 t1

48

Для измеряемого вещества получают две тиксотропные гистерезисные петли, находят пластическую вязкость u1 и u2 как котангенсы двух разных углов, образуемых «нисходящими» кривыми с осью абсцисс, a D1 и D2— градиенты скорости, отвечающие верхним концам этих кривых, t1 и t2— время, соответствующее данным градиентам скоростей.

Коэффициенты М и В не зависят от размеров применяемого для измерения оборудования и имеют ту же размерность, что и вязкость (дин·сек·см-2). В табл. 3 приведены тиксотропные коэффициенты ряда основ для мазей [ 134].

Таблица 3

Зависимость коэффициентов тиксотропности М и В различных основ от температуры, С°

 

 

Коэффициент М

 

 

Коэффициент В

 

Мазевая основа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20°

30°

40°

 

50°

20°

 

30°

40°

 

50°

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вазелин

1210,6

74,5

23,1

 

28,2

 

6,2

0,8

 

Пластибейз (5% по-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лиэтилена низкого

444,4

445,2

203,6

 

199,6

24,7

 

19,4

12,5

 

9,8

давления в вазелино-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вом масле)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полиэтиленоксид

1640,5,

603,9

27,1

 

188,5

 

25,4

0,5

 

(ДАВ-6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Силиконовый гель

6009,8

4719,1

4354,5

 

4303

617,5

 

518,7

462,7

 

433,1

Мазь на основе триг-

1364,3

12,8

 

 

31,7

 

5,6

 

 

 

 

 

лицеридов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подробному описанию явлений тиксотропии, их анализу роли и значению в промышленности и биологии, а также изложению многочисленных работ в этой области посвящена краткая монография Фрейндлиха [135] и многие работы Грина и Вельтмана [136, 13.7].

Реопексия. Структурообразование при сдвиге

До сих пор мы встречались с системами и объясняли их свойства исходя из того, что напряжение сдвига способствует разрушению структуры. Однако в некоторых случаям время гелеобразования агрегативно неустойчивых систем с сильно анизодиаметричеокими частицами может быть значительно сокращено, если сосуд, содержащий такую систему, медленно вращать. Это явление, открытое Фрейндлихом, получило название реопексии (греч. — образование геля при движении). Причину реопексии некоторые исследователи видят в том, что параллельная ориентация вытянутых частиц при течении благоприятствует установлению между ними контактов, и, следовательно, способствует образованию теля. Другие исс-

49

ледователи считают, что причина реопексии скорее кроется в возникновении при движении системы слабой турбулентности, ускоряющей установление контакта между частицами.

По-видимому, небольшие перемещения сдвигового характера способствуют образованию структуры, в то время как значительные сдвиги (встряхивание) разрушают ее. Несомненно, существует критическая величина сдвига, после превышения которой восстановление структуры не имеет места, а, наоборот, происходит ее разрушение. Такие явления обнаружены в разбавленных водных суспензиях бентонитов.

Реопектические жидкости внешне сходны со своими не зависящими от времени аналогами — дилатантными жидкостями, в которых время структурообразования незначительно. Здесь, однако, аналогия не является полной потому, что реопектические свойства проявляются только тогда, когда структура разрушается при небольших значениях скорости сдвига.

4.КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВ ДЛЯ МАЗЕЙ

Внастоящее время существует большой ассортимент веществ, которые применяются как основы для мазей, что указывает на необходимость их классификации.

Вещества, используемые в качестве основ для мазей, отличаются друг от друга по источникам получения, химическому составу, внешнему виду и т. д. Это нашло свое отражение в классификациях основ, приведенных в различных учебных руководствах, пособиях, обзорах и статьях (И. А. Муравьев, П. Э. Розенцвейг и Ю. К. Сандер, А. С. Прозоровский и Ю. А. Благовидова, В. М. Грецкий, И. М. Перцев, Г. С. Башура и соавторы, Wagner, Neuwald, Т. Трандафилов и др.).

Мазевые основы по источникам получения составляющих их компонентов подразделяются на натуральные и искусственные. В последнюю группу входят разнообразные синтетические или полусинтетические вещества, часто с добавлением различных природных веществ.

По химическому составу мазевые основы делятся на эфиры глицерина

свысшими жирными кислотами, сложные эфиры кислот с высокомолекулярными одноатомными спиртами, высокомолекулярные углеводороды, неорганические соединения, полисахариды и др.

Однако распределение мазевых основ по группам в рамках одной и той же системы классификации у разных авторов не совпадает.

Большинство авторов разделяют все мазевые основы на группы в зависимости от их химической природы, включая сюда и эмульсионные основы, что нарушает принцип классификации.

Воснову классификации должен быть положен признак, который является наиболее характерным, определяющим, позволяющий объединить вещества в единую, органически связанную группу. Таким характерным

50

Соседние файлы в папке Фармакология