RHEOLOGI Dhadhang Wahyu Kurniawan Laboratorium Farmasetika Unsoed Facebook: Dhadhang Wahyu Kurniawan Twitter: Dhadhang_WK

Transkripsi

1 RHEOLOGI Dhadhang Wahyu Kurniawan Laboratorium Farmasetika Unsoed Facebook: Dhadhang Wahyu Kurniawan Twitter: Dhadhang_WK 1

2 RHEOLOGI 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

3 RHEOLOGI Dasar-Dasar Rheologi Dasar-dasar: Tipe Aliran (Sifat Alir) Zat Cair Hubungan Sifat Alir Dengan Kefarmasian Rheo (Aliran) Mengalir Logos (Ilmu) (Ilmu Pengetahuan) 3

4 Istilah reologi diusulkan oleh Bingham & Crawford untuk menggambarkan aliran-aliran cairan dan deformasi padatan 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

5 Tipe aliran 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 Bidang dasar tetap bidang atas bergerak Dengan kecepatan tetap Bidang di bawahnya mengikuti Bergerak dengan kecepatan yang berbanding lurus dengan 6 jaraknya dari lapisan dasar yang diam

7 F /A = Gaya per satuan luas / shearing stress tekanan geser dv/dr = Perbedaan kecepatan antara 2 bidang dengan jarak r/gradien kecepatan/kecepatan geser/rate of shear nη F' A α dv dr F' A = Tetapan proporsionalitas = Koefisien viskositas = Viskositas = nη dv dr 7

8 nη G Makin Tinggi F' G nη F' dv = F = G = A dr Rheogram = Kurva yang menggambarkan sifat alir F A Satuan = dyne.det.cm -2 nη ' Poise (cgs : g/cm.det) Centi poise = cps = 0,01 poise = Viskositas dinamis (poise) 0 F nη P = Viskositas kinematis (Stoke/centi stoke) 8

9 V. Absolut Viskositas V. Relatif Viskositas Absolut : Zat Cair Sederhana nη : Zat Cair Murni Viskositas Relatif : Sistem dispersi Heterogen : nη nη 2 1 Viskositas Dinamis : nη Satuan Poise 9

10 Viskositas Kinematis : Stoke nη ρ Satuan : Stoke /Centi Kerapatan nη = F'.dr Adv = dyne x cm 2 cm xcm/ det = dyne.det 2 cm gram x = gram = cm.det cm/ det cm 2 2 x det 10

11 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

12 Contoh Pengukuran Viskositas 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/cm 3. 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

13 Penyelesaian a. Viskositas kinematis = 0,313 cp / 0,788 g/cm 3 = 0,397poise/(g/cm 3 )atau0,397cs. b. η rel(aseton) = 0,313 cp/0,8904 cp = 0,352(tanpa satuan) 13

14 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

15 NON NEWTON Zat yang tidak mengikuti persamaan alir Newton Time Independent Time Dependent - Plastik - Tiksotropi - Pseudoplastik - Anti Tiksotropi/ - Dilatan Tiksotropi Negatif -Reopeksi - Anti Reopeksi/ Reopeksi Negatif 15

16 - Larutan kolloidal -Emulsi - Suspensi cair -Salep -Krim - Masa Suppositoria - Campuran heterogen Non Newton : 16

17 Tipe Aliran Pseudoplastik - 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 berkurang dengan meningkatnya laju geser - Sebagian dari pelarut yang berikatan dengan molekul kemungkinan dilepaskan, menyebabkan penurunan efektif konsentrasi& ukuran molekul yang terdispersi 17 penurunan viskositas nyata.

18 Maka : nη F n =.G n = Derajat tipe alir non Newton Log G = a Log F Log nη G Persamaan garis lurus, pseudoplastik disebut SHEAR THINNING SYSTEM N = 1 Larutan NEWTON 18 0 F

19 TIPE ALIRAN PLASTIK -F < Yield Value Zat cair tidak mengalir Zat elastik (zat padat) -F = Yield Value Zat mulai mengalir G 0 Yield Value F - F > Yield Value Pemberian F berikutnya akan menghasilkan G yang proporsional seperti Newton garis lurus - Yield Value terjadi karena terjadi penggabungan partikel dengan gaya van der waals 19

20 Badan BINGHAM Angka arah disebut mobilitas (= fluiditas ) pada Newton Harga resiproknya adalah viskositas plastik Viskositas plastik U = ( F f ) G f = Yield value F = Tek. Geser G = Kecepatan geser 20

21 Yield Value 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

22 -Kurva lewat nol TIPE ALIRAN DILATAN -Partikeldispersterdeflokuldengankadartinggi( 50%) -Pada F = 0, partikel rapat, volume interpartikel (Void) minimum - Pada F tertentu partikel lepas partikel yang jumlahnya banyak bergerak mengisi ruang kosong G masih rendah suspensi dapat dituangkan dari botol mencair 22

23 -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 terbuka Vol. Void bertambah 23

24 NON NEWTON TIME DEPENDENT TIKSOTROPI = suatu pemulihan isoterm dan relatif lambat pada pendiaman suatu bahan yang kehilangan konsistensinya karena pemberian geser (shearing) -Pada pemberian F zat mulai mengalir menjadi sol - 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.

25 G G 0 F 0 F - Ada hubungan antara derajat tiksotropi dan kecepatan sedimentasi berbanding terbalik penting untuk pembuatan sediaan 25

26 ANTI TIKSOTROPI Kurva turun lewat kanan kurva naik Magma magnesia MENGUKUR TIKSOTROPI Dengan luas daerah histeresis 1. Menentukan struktural breakdownterhadap waktu pada kecepatan geser tetap Koefisien tiksotropi B U 1 2 = t 26 2 In t U 1

27 G F 2.Menentukan struktural breakdown pada kecepatan geser yang bertambah (pemecahan struktur karena G) ( U 2 U 1) Koefisien tiksotropi M = 2 G ln ( V ) V F U 1 dan U 2 = Viskositas plastik dua 27 kurva yang menurun

28 Tiksotropi Dalam Formulasi Konsistensi tinggi Digojog dituang encer/cair Mudah mengalir Sifat yang diinginkan Kembali semula Tidak segera mengendap Homogen Homogen, partikel tetap tersuspensi 28

29 Dibutuhkan dalam : -Emulsi -Lotion -Cream -Salep -Suspensi parenteral (sebagai depot) Injeksi procain penisilin G dalam air 29

30 Derajat tiksotropi Kecepatan pengendapan Stabilitas suspensi Makin besar derajat tiksotropi makin kecil kecepatan pengendapan 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

31 Tiksotropi kembung Mis : Bentonit dalam air % Kristal bentotit membentuk struktur Rumah kartu Tiga dimensi struktur putaran Histeresis yang menggelembung 31

32 Tiksotropi taji 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

33 Reopeksi zat padat ( 50 %) Peningkatan kecepatan pemadatan sol (dilatan) Sol menjadi gel lebih cepat diaduk perlahan-lahan G Anti reopeksi = negatif reopeksi G 0 F 33 0 F

34 Viskositas dipengaruhi T : Persamaan ARRHENIUS = nη = A. e Ev 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

35 Viskosimeter : alat untuk menentukan viskositas PENENTUAN VISKOSITAS LARUTAN/ZAT CAIR Penentu viskositas : - Tergantung tipe alir - Untuk Newton one point instrument - Untuk non Newton multi point instrument 35

36 Berdasarkan prinsipnya : - Viskositas kapiler - Viskositas bola jatuh -Viskositas cup and bob - Viskositas cone and plate 36

37 4000 nηnewton = 200 nηpsudo = 8,5 poise = 20 poise G Uc = = 10 poise UD = = 5 poise F 0 37

38 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

39 VISKOMETER KAPILER DAN BOLA JATUH TIDAK BISA DIGUNAKAN UNTUK MENGUKUR VISKOSITAS LARUTAN NON NEWTON 1. Viskosimeter kapiler = viskosimeter ostwald Besarnya hukum Poiseuille = nη nη nη = = = π. r 4 t P 8.l.v 4 π. r.p1t1 8.l.v 4 π. r.p2t2 8.l.v nη nη 2 1 = 4 π.r.p.t 1 8.l.v 1 X 2 8.l.v 4 π.r.p.t 39 2

40 η 1 = P 1. t 1 η 2 P 2. t 2 VISKOSITAS RELATIF Dibandingkan dengan η 1 zat yang sudah diket. (air) η 2 Alat dan perlakuan sama : nη zat = ρ zat.t zat ρ = kerapatan nη air ρ air. t air t = waktu alir 40

41 2. Viskometer bola jatuh : viskometer hoeppler Dasarnya : Gerakan bola jatuh ditentukan oleh viskositas zat temperatur konstant Hasil dihitung dengan rumus : nη ( = t d t d t )B tb tzat t = waktu internal (detik) Untuk bola macam-macam B = 0, poise 41

42 B = Tetapan Bola d = Bobot jenis pada suhu t t > 30 detik 3. Viskometer cup dan bob : viskometer standar F ' = n dv A F nη dr Ω = Q= 1T 4πh 1 R 2 b 1 R 2 c 42

43 Q = Kecepatan sudut (radient det-1) T = Putaran (dyne.com) H = Tinggi bob tercelup dalam zat cair R b = Jari-jari bob R c = Jari-jari cup Dengan memasukkan faktor-faktor yang berpengaruh stormermenent nη nη = Kv W V Kv = tetap alat W = beban (g) V = kecepatanputar (rpm) 43

44 Untuk tipe plastik u= Kv W W V Penggunaan viskositas ini terganggu karena timbulnya aliran sumbat karena adanya perbedaan shear stress 4. Viskometer cone and plate = viskometer ferranti - shirley f Viskometer brookfield Zat Newton dihitung dengan : nη c : tetapan alat = C T v T : putaran V : kecepatan putar/menit 44

45 Zat tipe plastik dihitung dengan : Dengan ambang : f = C f x T f U = c T T V T f = Putaran pada sumbu tekanan geser (ekstrapolasi bagian linier kurva) C f = Tetapan alat f f 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

46 Dalam viskometer cup and bob : sampel di shear diantara cup dan bob : bob (rotor) Cup (mangkuk) Di dalam Di luar Zat Gejala aliran sumbat penting pada : -Pasta - Suspensi pekat Keluar dari tube 46

47 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

48 Shering stress yang dihasilkan oleh puntiran karena perubahan rate of shear dicatat / dibaca pada petunjuk Reogram:plotrpm(rate of shear)vsskalayangdibaca (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

49 Bahan yang viskoelastik VISKOELASTISITAS - Produk yang semisolid -Makanan -Kosmetik Shear kontinu menggunakan viskometer putar Pada shear kontinu Bahan mengalami deformasi pada pengukuran Bahan viskoelastik diukur dengan viskositas yang tidak merusak struktur 49

50 Bahan farmasi (viskoelastik) : - Kream - Zat pengemulsi - Lotio - Zat pensuspensi -Salep -Darah - Suppositoria - Air liur - Suspensi - Cairan servik - Dispersi kolloid 50

51 Viskoelastik Cairan Padatan Cairan = dengan aliran cairan Newton Padatan aliran ttp elastis (pegas) 51

52 PENERAPAN RHEOLOGI DALAM BIDANG FARMASI 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

53 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

54 3. Padatan Aliran serbuk dari corong ke lubang cetakan tablet/kapsul Pengemasan serbuk/granul 4.Pemprosesan Kapasitas produksi alat Efisiensi pemrosesan 54