6/19/2013
RHEOLOGI Dhadhang Wahyu Kurniawan Laboratorium Farmasetika Unsoed Facebook: Dhadhang Wahyu Kurniawan Twitter: Dhadhang_WK 1
RHEOLOGI 6/19/2013
Pendahuluan System aliran newton dan non-Newton: plastis, pseudoplastis, dilatan Hubungan temperature dan viskositas Fenomena tiksotropi Metode penentuan sifat-sifat rehologis pada cairan dan semisolid Jenis viskometer
2
RHEOLOGI 6/19/2013
Dasar-Dasar Rheologi Tipe Aliran (Sifat Alir) Zat Cair Hubungan Sifat Alir Dengan Kefarmasian Dasar-dasar:
Rheo (Aliran) Mengalir
Logos (Ilmu) (Ilmu Pengetahuan)
3
Istilah reologi diusulkan oleh Bingham & Crawford untuk menggambarkan aliran-aliran cairan dan deformasi padatan 6/19/2013
Viskositas: suatu pernyataan tentang tahanan dari suatu cairan untuk mengalir; semakin tinggi viskositas, semakin besar tahanan tersebut
Scott-Blair menyarankan penerapan reologi dalam formulasi dan analisis produk farmasi seperti Emulsi, Pasta, Suppo, penyalutan tablet, dll. Rheologi terlibat dalam pencampuran dan aliran-aliran bahan, pengemasan bahan-bahan ke dalam wadah, dan pemindahan sebelum penggunaannya.
4
Tipe aliran 6/19/2013
Zat dengan sistem Newton Zat dengan sistem Non Newton
SISTEM NEWTON Tunduk pada hukum Newton I Kenaikan gaya gesek menyebabkan kenaikan kecepatan gesek yang proporsional 5
6/19/2013
Bidang dasar tetap Dengan kecepatan tetap mengikuti
bidang atas bergerak Bidang di bawahnya
Bergerak dengan kecepatan yang berbanding lurus dengan 6 jaraknya dari lapisan dasar yang diam
F’/A = Gaya per satuan luas / shearing stress
tekanan geser 6/19/2013
dv/dr = Perbedaan kecepatan antara 2 bidang dengan jarak r/gradien kecepatan/kecepatan geser/rate of shear
F ' dv F' α → = A dr A
nη
dv dr
nη = Tetapan proporsionalitas = Koefisien viskositas = Viskositas
7
nη Makin Tinggi nη
F ' A
F' = G
G
6/19/2013
dv F' G= F = dr A Rheogram = Kurva yang menggambarkan sifat alir Satuan = dyne.det.cm-2 Poise (cgs : g/cm.det) Centi poise = cps = 0,01 poise
nη = Viskositas dinamis (poise) nη 0
F
P
= Viskositas kinematis (Stoke/centi stoke)
8
V. Absolut Viskositas 6/19/2013
V. Relatif Viskositas Absolut : Zat Cair Sederhana
nη
: Zat Cair Murni
Viskositas Relatif : Sistem dispersi Heterogen :
Viskositas Dinamis :
nη 1 nη 2 nη
Satuan Poise
9
ρ
nη = F'. dr = A dv =
Satuan : Stoke /Centi Kerapatan
6/19/2013
Viskositas Kinematis : Stoke
nη
dyne x cm dyne . Det = 2 cm x cm / det cm 2
gram x cm / det 2 x det cm 2
gram = cm. det 10
6/19/2013
Viskositas kinematis adalah viskositas absolut dibagi dengan densitas cairan tersebut pada temperatur tertentu. Satuan viskositas kinematis adalah stokes (s) dan centistoke (cs) Skala sembarang (misalnya Saybolt, Redwood, Engler, dll) untuk pengukuran viskositas digunakan dalam berbagai industri; skala-skala ini kadang-kadang diubah dengan menggunakan tabel atau rumus tertentu menjadi viskositas absolut dan sebaliknya
11
Contoh Pengukuran Viskositas 6/19/2013
a. Suatu viskometer Oswald, digunakan untuk mengukur aseton, dan diperoleh hasil bahwa aseton tersebut mempunyai viskositas 0,313 cp pada 25°C. Densitasnya pada 25°C adalah 0,788 g/cm3. Berapakah viskositas kinematis aseton pada 25°C b. Air biasa digunakan sebagai standar viskositas cairan. Viskositas air pada 25°C adalah 0, 8904 cp. Berapakah viskositas relatif aseton terhadap air (viskositas relatif, rel) pada 25°C?
η
12
Penyelesaian
b.
η rel (aseton) = 0,313 cp/0,8904 cp = 0,352 (tanpa
6/19/2013
a. Viskositas kinematis = 0,313 cp / 0,788 g/cm3 = 0,397 poise/(g/cm3) atau 0,397 cs. satuan)
13
6/19/2013
SISTEM NON NEWTON Zat yang tidak mengikuti persamaan alir Newton
Sistem dispersi heterogen cair dan padat (larutan koloidal, emulsi, suspensi, salep, dll) Fluiditas = Harga resiprok/kebalikan dari viskositas
θ= 1
nη
14
NON NEWTON
Time Independent - Plastik - Pseudoplastik - Dilatan
6/19/2013
Zat yang tidak mengikuti persamaan alir Newton Time Dependent - Tiksotropi - Anti Tiksotropi/ Tiksotropi Negatif - Reopeksi - Anti Reopeksi/ Reopeksi Negatif
15
6/19/2013
Non Newton : - Larutan kolloidal - Emulsi - Suspensi cair - Salep - Krim - Masa Suppositoria
16
- Campuran heterogen
Tipe Aliran Pseudoplastik 6/19/2013
- Banyak produk farmasi menunjukkan aliran ini, a.l dispersi cair dari gom alam dan sintetis (misal tragakan, Na-alginat, metilselulosa, dan CMC-Na) - Tidak ada bagian kurva yang linier, viskositas suatu bahan pseudoplastis tidak dapat dinyatakan dengan suatu nilai tunggal - Viskositas zat pseudoplastis meningkatnya laju geser
berkurang
dengan
- Sebagian dari pelarut yang berikatan dengan molekul kemungkinan dilepaskan, menyebabkan penurunan efektif konsentrasi & ukuran molekul yang terdispersi 17 penurunan viskositas nyata.
Maka : Fn=
nη
.G
n = Derajat tipe alir non Newton
nη
6/19/2013
Log G = a Log F – Log
Persamaan garis lurus, pseudoplastik disebut “SHEAR THINNING SYSTEM”
G
N=1
Larutan NEWTON
18
0
F
TIPE ALIRAN PLASTIK Zat cair tidak mengalir
- F = Yield Value
Zat mulai mengalir
6/19/2013
- F < Yield Value Zat elastik (zat padat)
- F > Yield Value Pemberian F berikutnya akan menghasilkan G yang proporsional seperti Newton garis lurus
G
0 Yield Value
- Yield Value terjadi karena terjadi penggabungan partikel dengan gaya F van der waals 19
Badan BINGHAM Angka arah disebut mobilitas pada Newton
6/19/2013
(= fluiditas )
Harga resiproknya adalah viskositas plastik Viskositas plastik
U
( F =
−f) G
f = Yield value F = Tek. Geser G = Kecepatan geser
20
Yield Value 6/19/2013
MENGALIR Yield Value Merupakan indikasi Flokulasi Makin banyak suspensi terflokulasi
Makin tinggi yield value nya
Yield Value terlampaui setiap kenaikan shearing stress (F-f) kenaikan G berbanding lurus grafiknya lurus seperti pada Newton 21
TIPE ALIRAN DILATAN 6/19/2013
- Kurva lewat nol
- Partikel dispers terdeflokul dengan kadar tinggi ( ≥ 50 %) - Pada F = 0, partikel rapat, (Void) minimum
volume interpartikel
- Pada F tertentu partikel lepas partikel yang jumlahnya banyak bergerak mengisi ruang kosong G masih rendah suspensi dapat dituangkan dari botol mencair 22
6/19/2013
- Penambahan F memperbesar void G bertambah cepat hingga suatu titik tertentu kemampuan mengisi void maksimum tahanan untuk mengalir besar jika F diperbesar lagi G tidak bertambah memadat (seperti pasta, kaku) - Nama lain : Shear Thicking System - Pers = Pers pseudoplastik ( N < 1). (N = 1)
NEWTON
Konsist.tinggi
Bertambah kecep. geser Partikel rapat Vol void min Konstensi rendah
Partikel terbuka23Vol. Void bertambah
NON NEWTON TIME DEPENDENT
- Pada pemberian F sol
zat mulai mengalir
6/19/2013
TIKSOTROPI = suatu pemulihan isoterm dan relatif lambat pada pendiaman suatu bahan yang kehilangan konsistensinya karena pemberian geser (shearing)
menjadi
- Tiksotropi untuk tipe alir yang menipiskan geseran (pseudoplastik dan plastik) - Tiksotropi merupakan sifat yang diinginkan dalam suatu sistem farmasetik cair idealnya harus mempunyai konsistensi tinggi dalam wadah, tapi dapat dituang 24 dengan mudah.
G
G 6/19/2013
0
F
0
F
- Ada hubungan antara derajat tiksotropi dan kecepatan sedimentasi berbanding terbalik penting untuk pembuatan sediaan
25
ANTI TIKSOTROPI 6/19/2013
• Kurva turun lewat kanan kurva naik • Magma magnesia MENGUKUR TIKSOTROPI Dengan luas daerah histeresis 1. Menentukan struktural breakdown terhadap waktu pada kecepatan geser tetap Koefisien tiksotropi B
=
U
1
In
− U t 2 t1
2
26
G 6/19/2013
F 2.Menentukan struktural breakdown pada kecepatan geser yang bertambah (pemecahan struktur karena G) ( U 2 − U 1) Koefisien tiksotropi M = 2 2 ln
G
(V 2 ) V
1
U1 dan U2 = Viskositas plastik dua 27 kurva yang menurun F
Tiksotropi Dalam Formulasi 6/19/2013
Konsistensi tinggi
Digojog dituang encer/cair
Mudah mengalir
Sifat yang diinginkan
Kembali semula Tidak segera mengendap Homogen
Homogen, partikel tetap tersuspensi
28
Dibutuhkan dalam : 6/19/2013
- Emulsi - Lotion - Cream - Salep - Suspensi parenteral (sebagai depot)
Injeksi procain penisilin G dalam air
29
Derajat tiksotropi Stabilitas suspensi Kecepatan pengendapan makin kecil kecepatan pengendapan
6/19/2013
Makin besar derajat tiksotropi
Salep/cream : Salep bacitracin usp dalam wadah tiksotropi
Digunakan pada kulit
tiksotropi hilang
(karena tikso, konsistensi, yield value berkurang jika T dinaikkan : 20-35C)
30
• Tiksotropi kembung 6/19/2013
• Mis : Bentonit dalam air 10-15 % • Kristal bentotit membentuk struktur Rumah kartu
struktur
Tiga dimensi
putaran
Histeresis yang menggelembung
31
• Tiksotropi taji 6/19/2013
• Benzil penisilin, procain penisilin • Y = Spur value = titik tajam dari pemecahan struktur pada suatu shear rate yang rendah • Untuk sediaan depot intramuskuler yang tahan lama • Biasanya sangat tiksotropi
32
Reopeksi
zat padat ( ≥ 50 %) 6/19/2013
Peningkatan kecepatan pemadatan sol (dilatan) Sol menjadi gel lebih cepat diaduk perlahan-lahan Anti reopeksi = negatif reopeksi G
G
0 0
F
F
33
Viskositas dipengaruhi T :
nη
6/19/2013
Persamaan ARRHENIUS =
Ev = A. e RT
A = Tetapan tergantung BM dan volume Molar zat Cair Ev = Energi aktivasi yang digunakan untuk permulaan mengalir molekul-molekul T naik
nη zat cair naik
θ berkurang 34
Viskosimeter : alat untuk menentukan viskositas 6/19/2013
PENENTUAN VISKOSITAS LARUTAN/ZAT CAIR Penentu viskositas : - Tergantung tipe alir - Untuk Newton - Untuk non Newton
one point instrument multi point instrument 35
6/19/2013
Berdasarkan prinsipnya : - Viskositas kapiler - Viskositas bola jatuh - Viskositas cup and bob - Viskositas cone and plate
36
nη PSUDO Uc UD
= 20 poise
6/19/2013
nη
4000 Newton = 200
G = 8,5 poise
4000 − 2000 = = 10 poise 200
4000 − 3000 = = 5 poise 200
0
F
37
6/19/2013
Viskosimeter Ostwald Viskositas cairan Newton dapat ditentukan dengan mengukur waktu yang dibutuhkan oleh cairan tersebut untuk lewat di antara dua tanda ketika cairan mengalir akibat gravitasi melalui suatu tabung kapiler vertikal viskosimeter Ostwald
38
1. Viskosimeter kapiler = viskosimeter ostwald
6/19/2013
VISKOMETER KAPILER DAN BOLA JATUH TIDAK BISA DIGUNAKAN UNTUK MENGUKUR VISKOSITAS LARUTAN NON NEWTON Besarnya hukum Poiseuille =
π. r 4 t ∆ P nη = 8. l.v
nη =
π. r 4 . p1 t1 8. l. v
4 . r . p t π 2 2 nη = 8.l.v
nη 1 nη 2
π. r 4 . P1.t1 8.l.v = X 4 8 .l.v π.r .p 2 .t 2 39
η1
=
6/19/2013
η2
P1 . t1 P2 . t2
VISKOSITAS RELATIF Dibandingkan dengan η1 zat yang sudah diket. (air) η2 Alat dan perlakuan sama :
nη zat ρ zat .t zat = nη air ρ t air . air
ρ = kerapatan t = waktu alir
40
2. Viskometer bola jatuh : viskometer hoeppler 6/19/2013
Dasarnya : Gerakan bola jatuh ditentukan oleh viskositas zat temperatur konstant Hasil dihitung dengan rumus :
nη = t (d t t B − d t t zat )B t = waktu internal (detik) Untuk bola macam-macam B = 0,5 – 200.000 poise 41
B = Tetapan Bola d’ = Bobot jenis pada suhu t 6/19/2013
t > 30 detik 3. Viskometer cup dan bob : viskometer standar
F' = A
dv nη dr
1T Ω = Q= 4πh
1 1 2 − 2 R c R b 42
Q = Kecepatan sudut (radient det-1) T = Putaran (dyne.com) 6/19/2013
H = Tinggi bob tercelup dalam zat cair Rb = Jari-jari bob Rc = Jari-jari cup Dengan memasukkan faktor-faktor yang berpengaruh stormermenent n
η
nη
W = Kv V
Kv = tetap alat W = beban (g) V = kecepatanputar (rpm)
43
Untuk tipe plastik
W − Wf u = Kv V 6/19/2013
Penggunaan viskositas ini terganggu karena timbulnya aliran sumbat karena adanya perbedaan shear stress 4. Viskometer cone and plate = viskometer ferranti - shirley Viskometer brookfield Zat Newton dihitung dengan : c : tetapan alat
T nη = C v
T : putaran V : kecepatan putar/menit
44
Zat tipe plastik dihitung dengan :
T − Tf U=c V 6/19/2013
Dengan ambang : f = Cf x Tf Tf = Putaran pada sumbu tekanan geser (ekstrapolasi bagian linier kurva) Cf = Tetapan alat Lebih menguntungkan daripada viskometer cup and bob karena aliran sumbat dapat dihindarkan (rate of shear konstant pada seluruh sampel yang di shear) Hemat waktu, sampel (0,1 – 0,2 mL) Temperatur stabil (pengukuran)
45
Dalam viskometer cup and bob : sampel di shear diantara cup dan bob :
Cup (mangkuk)
Di dalam
6/19/2013
bob (rotor)
Di luar
Zat
Gejala aliran sumbat penting pada : - Pasta - Suspensi pekat
Keluar dari tube 46
6/19/2013
Jika tube (lubang) tersumbat karena kering kita pencet (shear disekitar tube) konsisten turun pasta keluar Stormer tidak baik untuk sistem plastik karena adanya Aliran sumbat diatasi dengan viskometer cone and plate
Viskometer cone and plate : Sampel diletakkan pada plate di shear cone dikemudikan oleh motor dengan kecepatan yang dapat berubah
47
6/19/2013
Shering stress yang dihasilkan oleh puntiran karena perubahan rate of shear dicatat / dibaca pada petunjuk Reogram : plot rpm (rate of shear) vs skala yang dibaca (shearing stress) Viskometer cup and bob: Tergantung cup/bob yang berputar - Viskometer copuette
= cup berputar
- Viskometer mac Michael
= cup berputar (mis)
- Viskometer searle
= bob berputar
- Viskometer rotovisco
= bob berputar (mis)
48
VISKOELASTISITAS Bahan yang viskoelastik
- Makanan
6/19/2013
- Produk yang semisolid
- Kosmetik Shear kontinu
menggunakan viskometer putar
Pada shear kontinu Bahan mengalami deformasi pada pengukuran Bahan viskoelastik diukur dengan viskositas yang tidak merusak struktur
49
Bahan farmasi (viskoelastik) : - Zat pengemulsi
- Lotio
- Zat pensuspensi
- Salep
- Darah
- Suppositoria
- Air liur
- Suspensi
- Cairan servik
6/19/2013
- Kream
- Dispersi kolloid
50
Viskoelastik
6/19/2013
Cairan Padatan Cairan
= dengan aliran cairan Newton
Padatan
≠ aliran ttp elastis (pegas)
51
PENERAPAN RHEOLOGI DALAM BIDANG FARMASI 6/19/2013
1. Cairan Pencampuran Pengurangan ukuran partikel dari sistem dispersi dengan shear Pelewatan melalui mulut, penuangan, pengemasan dalam botol, pelewatan melalui jarum suntik Perpindahan cairan Stabilitas fisik sistem dispersi
52
6/19/2013
2. Semi solid Penyebaran dan pelekatan pada kulit Pemindahan dari wadah/tube Kemampuan zat padat untuk bercampur dengan cairan-cairan Pelepasan obat dari basisnya
53
6/19/2013
3. Padatan Aliran serbuk dari corong ke lubang cetakan tablet/kapsul Pengemasan serbuk/granul 4.Pemprosesan Kapasitas produksi alat Efisiensi pemrosesan
54
