A gyógyszertechnológia reológiai alapjai Bevezetés. Pécsi Tudományegyetem Gyógyszertechnológiai és Biofarmáciai Intézet

Átírás

1 A gyógyszertechnológia reológiai alapjai Bevezetés Pécsi Tudományegyetem Gyógyszertechnológiai és Biofarmáciai Intézet

2 Az előadás rövid vázlata - A reológia fontossága a gyógyszerészetben - Bevezetés a reológiába - A reológiai szemlélet Newtoni (anyagtípus) TEST (ideálisan viszkózus) Nem-newtoni (anyagtípus) TEST időtől független: - időtől függő: tixotrópia reopexia plasztikus (ideális,reális,pszeudo) gyógyszerészi gyakorlatban dilatáns - Reológiai vizsgáló módszerek

3 A reológia fontossága a gyógyszerészetben 3

4 Deformáció - műveletek gyógyszerformák előállításakor: Aprítás, folyadékszállítás, folyadékkeverés, tablettapréselés gyógyszerformák alkalmazásakor: aeroszol oldatok porlasztása, kenőcsök felkenése, kenőcs kinyomás tubusból 4

5 Bevezetés a reológiába Fizika - Mechanika: a testek mint egészek MOZGÁSának törvényeit tárgyalja NEM AD VÁLASZT arra, hogy az egyes testeken Reológia: ez utóbbi kérdésre válaszol. milyen ALAKVÁLTOZÁSOK lépnek fel. A reológia elnevezés Eugene Binghamtól ( ) származik és az anyagok külső erő hatására bekövetkező alakváltozásával (deformációjával) és folyásával foglalkozó tudományágat értjük alatta. Reológiai anyagtípusok (TESTek) szilárd, folyadék, gáz lehet A reológia folyadékok folyását és szilárd anyagok deformációját írja le (reo folyni, logos tudomány )

6 Bevezetés a reológiába ERŐ ERŐ FESZÜLT SÉG FESZÜLT SÉG Swarbrick J.: Encyclopedia of Pharmaceutical Technology, Informa Healtcare, ERŐ F (N) FESZÜLT SÉG N 2 m 6

7 7

8 Elasztikus(rugalmas) deformáció (szilárd) (apróbetűs) 8

9 Nyírási deformáció (szilárd) (apróbetűs) 9

10 FOLYADÉK Bevezetés a reológiába IDEÁLIS VISZKÓZUS Newton viszkozitás=folyással szembeni ellenállás FÉLSZILÁRD VISZKOELASZTIKUS REÁLIS Kis deformációsebességnél: viszkózus Nagy deformációsebességnél: elasztikus SZILÁRD IDEÁLIS ELASZTIKUS Hooke a rugó feszítőereje és megnyúlása között arányosság áll fenn MÉG: IDEÁLIS PLASZTIKUS viszkoplasztikus REÁLIS PLASZTIKUS FOLYÁSHATÁR!!! 0 10

11 Bevezetés a reológiába Szilárd testek deformációja IDEÁLIS SZILÁRD testek rugalmasan (elasztikusan) deformálódnak - REVERZIBILIS deformáció A deformálásra fordított energiát a külső erő megszűnése után teljesen visszakapjuk 11

12 Bevezetés a reológiába SZILÁRD test deformációja τ = Y m dl/dy = Y m tan γ Y m γ τ = nyírófeszültség = erő/felület, N/m 2 = Pa Y m = Young modulus, a szilárd anyag merevsége, rigiditása, N/m 2 =Pa γ = dl/y = torzulás (dimenziómentes) y = a szilárd test magassága [m] ΔL = a szilárd test elmozdulása (deformációja) a nyírás eredményeként [m]. 12

13 SZILÁRD testek Y * m A Y m Young modulus ebben az egyenletben egy korreláló faktor, mely jelzi a rigiditást, mely a szilárd anyag fizikai kémiai természetét foglalja magába Ez a szilárd anyag ELLENÁLLÁSÁT mutatja a DEFORMÁCIÓVAL SZEMBEN. 13

14 Nem tévesztendő össze! SZILÁRD FOLYADÉK 14

15 Bevezetés a reológiába Fluidumok deformációja IDEÁLIS FLUIDUMOK (folyadékok,gázok) irreverzibilis deformáció FOLYÁS A deformációra fordított energia a folyadékban hővé alakul, szétszóródik - a külső erő megszűnése után nem alakul vissza az anyag (IRREVERZIBILIS) A fluidumban a FOLYÁS fenntartásához folyamatosan energiát kell befektetni. 15

16 Szilárd és folyékony testek A szilárd és folyadék közötti alapvető KÜLÖNBSÉG: A nyírófeszültség hatására a szilárd testek RUGALMASAN (ELASZTIKUSan) DEFORMÁLÓDNAK, míg a folyadékok ÁRAMLANAK,folynak. (vagyis a folyadékoknál a deformáló erők nem vezetnek valódi sztatikus egyensúly kialakulásához, hanem az eredmény állandó deformáció, azaz FOLYÁS.)

17 Szilárd és folyadék közti ALAPVETŐ KÜLÖNBSÉG Deformáló erő Szilárd rugalmas deformáció Folyadék ÁLLANDÓ deformáció, azaz FOLYÁS 17

18 Nem tévesztendő össze! SZILÁRD FOLYADÉK 18

19 Viszkózus és elasztikus folyadék példája 19

20 A reológiai szemlélet 20

21 Az alaptörvény A folyadék viszkozitás méréséhez először definiálni kell a folyás során alkalmazott paramétereket Megfelelő vizsgálati körülményeket kell biztosítani a reprodukálhatóság és objektivitás eléréséhez 21

22 Nyírófeszültség F( erő, newton ) A( felület, 2 m ) A felülettel érintőirányban alkalmazott F erő Érintkezési felület, A N (newton)/m 2 = Pa [Pascal]

23 A párhuzamos lemez modell segít definiálni a nyírófeszültséget(ʈ) és a nyírási sebességet(g) (v max /y 1, v max /y 2 ) FOLYADÉK KIS nyírási sebesség NAGY nyírási sebesség Nyirásnak kitett FOLYADÉK Mozgó lemez, a folyadékkal érintkező A nyírási felület Álló lemez Álló lemez 23

24 Nyírási sebesség (a nyírófeszültség sebességgradiense) A maximális áramlási sebességet V max a felső lemez alatt találhatjuk A sebesség csökken az y irányban lefelé, V min = 0 sebességet ér el az álló lemezzel érintkező alsó rétegnél

25 Nyírási sebesség FOLYADÉKOK SZILÁRD anyagok viszkozitás G nyírási sebesség Y m Y m Y m Young modulus torzulás

26 Szilárd anyagok és folyadékok összehasonlítása Y * m Young modulus * torzulás *G viszkozitás * nyírási sebesség A nyírófeszültség ( )a szilárdban torzulást a folyadákban nyírási sebeséget hoz létre. 26

27 Szilárd és folyadék közti ALAPVETŐ KÜLÖNBSÉG Deformáló erő Szilárd rugalmas deformáció Folyadék ÁLLANDÓ deformáció, azaz FOLYÁS Az Y m és az η ugyanazt a célt szolgálja, egy ELLENÁLLÁSI tényezőt kapcsol a feszültségnek kitett testekhez. 27

28 Az alaptörvény Newton elsőként írta le IDEÁLISan viszkózus folyadékokra a folyást. Ez a viszkozimetria alaptörvénye *G nyírófeszültség=viszkozitás*nyírási sebesség

29 (dy) 29

30 Viszkozitás A viszkozitás fogalma A viszkozitás a folyással vagy mozgással szembeni ELLENÁLLÁS; belső súrlódás Folyadék lemezek egymáshoz képest, külső erő hatására fellépő elmozdulását jellemzi 30

31 A viszkozitás mértékegységei Dinamikai viszkozitás szilárd testek 10 18, folyadékoké , gázoké pedig Pas Ns 1Pas 1 10P( poise) 2 m Kinematikai viszkozitás SI egysége: m 2 s -1 = 10 4 St=10 6 cst (centistokes) η ρ dinamikai viszkozitás, sűrűség 31

32 Tipikus viszkozitás értékek 20 C-on [mpa s] A viszkozitás az élő szervezetekben lejátszódó mozgások egyik meghatározó tényezője. A vér viszkozitása férfiaknál magasabb(47), mint nőknél(43). A cukorbetegek vérének viszkozitása alacsonyabb, mint a normális érték.

33 Diszperz rendszerek Oldott, emulgált, szuszpendált részek rel o f o o red f c RELATÍV FAJLAGOS REDUKÁLT viszkozitá (viszkozitásszám) 0 OLDÓSZER vagy DISZPERZIÓS közeg viszkozitását jelenti 33

34 Viszkozitás függése Valódi oldatok: hőmérséklet Ae E RT Arrhenius- Andrade összefüggés koncentráció Makromolekulás oldatok: hőmérséklet koncentráció móltömeg molekula felépítés oldószer 34

35 A viszkozitás hőmérséklet függése E Ae RT Arrhenius-Andrade összefüggés A ΔE állandó, a folyadékmolekulák mozgékonyságának 1 mólra vonatkoztatott aktiválási energiája [kj mol -1 ], R egyetemes gázállandó (8,314 J K mol -1 ), T abszolút hőmérséklet. HŐMÉRSÉKLET NÖVELÉSÉNEK HATÁSÁRA a szilárd testek és folyadékok viszkozitása csökken, A GÁZOKÉ NŐ. 35

36 A részecskeméret eloszlás hatása a rendszer reológiai tulajdonságaira 36

37 Diszperz rendszerek Oldott, emulgált, szuszpendált részek rel o f o o red f c RELATÍV FAJLAGOS REDUKÁLT viszkozitá (viszkozitásszám) 0 OLDÓSZER vagy DISZPERZIÓS közeg viszkozitását jelenti 37

38 Mark-Houwing molekulatömeg (méret) meghatározás /polimerek/ red hat Határviszkozitás (=lim η red ) C 0 hat KM K : empirikus α : oldószer-polimer kölcsönhatás 38

39 Viszkózus és elasztikus folyadék WEISSENBERG hatás 39

40 Newtoni testek (ideálisan viszkózus) A viszkozitás állandó (anyagi minőségre jellemző) F dv dv G A dl dl FOLYÁS GÖRBE VISZKOZITÁS

41 KÜLÖNBSÉG a viszkózus és plasztikus testek között Viszkózus testek - NINCS FOLYÁSHATÁR Plasztikus testek- FOLYÁSHATÁRral rendelkeznek 0 41

42 PLASZTIKUS Nem-newtoni testek IDŐtől FÜGGETLEN reológiai viselkedésű IDEÁLISAN ~ * o G Pl. HÍG SZUSZPENZIÓK, REÁLISAN ~ * o G PSZEUDO ~ * n n G SZERKEZETI VISZKOZITÁS (η*) pl. paszták, keno csök és keno csalapanyagok, kúpok és kúpalapanyagok, fogkrémek, ömény emulziók, szuszpenziók, gélek). (pl. nyákok, szuszpenziók, emulziók). 42

43 Ideálisan plasztikus 0 0 PÉLDÁK: víz, glicerin, szerves oldószerek olvasztott vazelin - newtoni szobahőn vazelin - nem-newtoni Sok folyadék newtoni folyást mutat, de keverékben alkalmazva a keverék nem-newtoni viselkedésű lesz. 43

44 Reálisan plasztikus 0 ALSÓ, EGYENSÚLYI, FELSŐ! 0 44

45 Pszeudoplasztikus ALSÓ NINCS 45

46 Pszeudoplasztikus folyás (viszkozitáscsökkenéssel járó szerkezeti változások SZERKEZETI VISZKOZITÁS, η*) FOLYÁS IRÁNYA VISZKOZITÁS CSÖKKENÉS 46

47 Pseudoplastic Liquids G G * n G

48 Nem-newtoni anyagok IDŐtől FÜGGETLEN reológiai viselkedésű DILATÁNS (nyírásra töményedés ) * n>1 n G A gyógyszerészi gyakorlatban ritkán fordul elő. (>50%, pl. pigment-szuszpenziók) 48

49 Dilatáns (apróbetűs megjegyzés) 49

50 Különféle folyadékok (angol nyelvű összegzés)

51 Nem-newtoni anyagok IDŐtől FÜGGŐ reológiai viselkedésű 51

52 Nem-newtoni anyagok IDŐtől FÜGGŐ reológiai viselkedésű TIXOTRÓPIA A viszkozitás CSÖKKENés nemcsak a nyíróerő nagyságától, hanem a hatás IDEJÉTŐL is függ. Pl. ZSELATIN oldat, egyéb: ketchup, joghurt, festékek stb. Jól definiált szilárd térhálós szerkezetű rendszereknél fordul elő Jellemző a HISZTERÉZIS hurok. (Nagyobb terület, több idő az újrarendeződéshez) 52

53 TIXOTRÓPIA

54 TIXOTRÓPIA 4 kritérium kell (MINDEGYIK egyidejűleg!): - η csökken, növekvő intenzitású nyíróerő hatására, - η csökken, ha az állandó igénybevétel idő tartama növekszik, - η végső határérték felé tart tartós és intenzív igénybevételkor, - az anyag visszatér eredeti állapotába, ha az igénybevétel után, izoterm körülmények között magára hagyjuk. 54

55 55

56 PSZEUDOPLASZTIKUS vagy REÁLIS PLASZTIKUS 56

57 57

58 58

59 59

60 TIXOTRÓPIA (angol nyelvű összegzés)

61 Apróbetűs megjegyzés 61

62 Nem-newtoni anyagok IDŐtől FÜGGŐ REOPEXIA Gyakorlatban ritkán Ritka: pl. gipsz pép, printer tinta A reopex folyásgörbéket kritikusan kell mérlegelni, ugyanis a jelenséget a legtöbb esetben nem valódi reopexia, hanem egyéb változások szedimentáció,párolgás, utópolimerizáció, ero s műszercsillapítás -- okozhatják. 62

63 Mechanikai reológiai modellek 1. A reverzibilis deformáció modellje a rúgó HOOKE - test ideálisan rugalmas testek 2. A viszkózus folyás modellje a dugattyú NEWTON test Newtoni folyadékok 3. A plasztikus folyás modellje a súrlódó elem ST. VENANT test 63

64 Reológiai vizsgáló módszerek A szilárd, félszilárd és fluidumok viszkoelasztikus tulajdonságait mérik az ún. REOMÉTEREK Azok a készülékek, melyek a fluidumok viszkózus folyásának meghatározására korlátozódnak, a VISZKOZIMÉTEREK.

65 Ellenőrzött nyírófeszültség (CS - Controlled Stress) reométerek (változtatjuk: mérjük: G (ω) ) (M ) (M ) G (ω) CR módba átalakítható A KÜLSŐ henger vagy az alsó lemez ÁLL

66 Ellenőrzött nyírási sebesség (CR - Controlled Rate) reométerek/ viszkoziméterek(változtatjuk: G (ω) mérjük: ) (M ) (M ) A KÜLSŐ henger vagy az alsó lemez ÁLL A KÜLSŐ henger vagy az alsó lemez FOROG

67 VISZKOZITÁS Mikor, melyiket? NYÍRÁSI SEBESSÉG

68 Reológiai vizsgáló módszerek Kapilláris viszkoziméterek V t ghr 8 l 4 Hagen-Poiseuille Ostwald-Fenske rel t t

69 69

70 Reológiai vizsgáló módszerek Esőtestes viszkoziméterek Höppler-féle ejtőgolyós viszkoziméter k ( ) g f t Höppler-féle reoviszkoziméter Terhelés, mert az ejtőgolyó szerkezetviszkózus közegben nem tud lesüllyedni kpt 70

71 71

72 k ( ) g f t 72

73 Reológiai vizsgáló módszerek ROTÁCIÓS reométer (Searle, belső henger forog Couette, külső henger forog) M 1 4h Rb Rk k M M G Bármely anyaghoz, dinamikai viszkozitás 73

74 M 4h 2 2 Rb Rk M a henger felületén ható forgatónyomaték, ω szögsebesség, h a belső henger merülési mélysége a folyékony közegben, R b a belső henger sugara, R k a külső henger sugara, k a készülék műszerállandója. Keskeny rés esetén a forgatónyomaték(m) és a nyíróerő( ), valamint a szögsebesség és a nyírási sebesség( G ) között egyenes arányosság áll fenn: 1 1 k M M G α és β műszerállandók 74

75 Reológiai vizsgáló módszerek OSZCILLÁCIÓS Pl viszkoelasztikus anyagokra 75

76 76

77 Kúp és lap reométer

78 Kúp és lap reométer M d : motor forgatónyomaték ~ Ω: szögsebesség ~ G

79 Párhuzamos lapok reométer M d : motor forgatónyomaték ~ Ω: szögsebesség ~ G

80 ÖSSZEFOGLALÁS 1. A reológia fontossága a gyógyszerészetben - deformációk a műveletek során - gyógyszerformák alkalmazásakor: kenőcs kinyomhatósága tubusból - készítmény stabilitása (kenőcsök, szuszpenziók, emulziók) biofarmácia (HA leadás,pl. kenőcsök,tapaszok) Bevezetés a reológiába FOLYADÉK FÉLSZILÁRD SZILÁRD VISZKÓZUS VISZKOELASZTIKUS ELASZTIKUS PLASZTIKUS 0 FOLYÁSHATÁR!! *G Kis deformációsebességnél: viszkózus Nagy deformációsebességnél: elasztikus IDEÁLIS SZILÁRD testek rugalmasan (elasztikusan) reverzibilis deformáció IDEÁLIS FLUIDUMOK (folyadékok,gázok) irreverzibilis deformáció FOLYÁS

81 ÖSSZEFOGLALÁS 2. A reológiai szemlélet - newtoni anyagok (ideálisan viszkózus) - nem-newtoni anyagok időtől független: plasztikus (ideális,reális,pszeudo) *,SZERKEZETI VISZKOZITÁS gyógyszerészi gyakorlatban dilatáns időtől függő: tixotrópia (a nyíróerő hatásának IDEJE is számít, 4 kritérium, hiszterézis) reopexia

82 ÖSSZEFOGLALÁS 3. Vizsgáló módszerek A szilárd, félszilárd és fluidumok viszkoelasztikus tulajdonságait mérik REOMÉTEREK rotációs (bármelyre) oszcillációs (viszkoelasztikusakra), fluidumok viszkózus folyásának meghatározására korlátozódnak, a VISZKOZIMÉTEREK kapilláris, esőtestes (newtonira) rotációs (bármelyre), kúp-lap rendszerű,párhuzamos lapok stb.

83 Viszkózus és elasztikus folyadék keverés példája 83

84 A normál erők túlkompenzálják a centrifugális erőket 84

85 Ideálisan plasztikus (Bingham ) Összefoglaló tixotróp VISZKÓZUS (newtoni) plasztikus reopex pszeudoplasztikus pszeudodilatáns 85

86 86

87 ugróragacs, varázsgyurma 87

88 Köszönöm a megtisztelő figyelmet! 88

89 Bevezetés a reológiába A REÁLIS testek is irreverzibilisen deformálódnak megfelelő nagyságú erő hatására CSÚSZÁS, FOLYÁS A reális testeket sem ideális szilárdnak, sem ideális fluidumnak nem tekintjük. Példa: acél ez tipikus szilárd anyag mely folyásra kényszeríthető abban az esetben, ha az acéllemezt formába préseljük (pl. autóalkatrész előállítás) 89

90 90