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

RHEOLOGI

6/

19/

2013

Dhadhang Wahyu Kurniawan

Laboratorium Farmasetika Unsoed

Facebook: Dhadhang Wahyu Kurniawan Twitter: Dhadhang_WK

RHEOLOGI

Pendahuluan

System aliran newton dan non-Newton: plastis, pseudoplastis, dilatan

Hubungan temperature dan viskositas Fenomena tiksotropi

6/

19/

2013

Fenomena tiksotropi

Metode penentuan sifat-sifat rehologis pada cairan dan semisolid

Jenis viskometer

Dasar-Dasar Rheologi

Tipe Aliran (Sifat Alir) Zat Cair

Hubungan Sifat Alir Dengan Kefarmasian

RHEOLOGI

6/

19/

2013

Hubungan Sifat Alir Dengan Kefarmasian Dasar-dasar:

Rheo (Aliran) Mengalir

Logos (Ilmu)

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

6/

19/

2013

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

Tipe aliran

Zat dengan sistem Newton

Zat dengan sistem Non Newton

SISTEM NEWTON

6/

19/

2013

SISTEM NEWTON

Tunduk pada hukum Newton I

Kenaikan gaya gesek menyebabkan kenaikan kecepatan gesek yang proporsional

6/

19/

2013

Bidang dasar tetap bidang atas bergerak

Dengan kecepatan tetap Bidang di bawahnya mengikuti

Bergerak dengan kecepatan yang berbanding lurus dengan jaraknya dari lapisan dasar yang diam 6

F’/A = Gaya per satuan luas tekanan geser / shearing stress

dv/dr = Perbedaan kecepatan antara 2 bidang dengan

jarak r/gradien kecepatan/kecepatan geser/rate of

shear = → α dv F ' ' F

_n

_dv

6/ 19/ 2013 = Tetapan proporsionalitas = Koefisien viskositas = Viskositas

n

η

= → α A ' F dr dv A ' F

dr

dv

n

η

7

Makin Tinggi

Rheogram = Kurva yang menggambarkan sifat alir Satuan = dyne.det.cm-2 G

G

'

F

=

A F F = '

dr

dv

G =

n

η

A F '

n

η

6/ 19/ 2013 Poise (cgs : g/cm.det)

Centi poise = cps = 0,01 poise = Viskositas dinamis (poise)

= Viskositas kinematis (Stoke/centi stoke) F 0 G

n

η

n

η

P 8

Viskositas

V. Absolut V. Relatif

Viskositas Absolut : Zat Cair Sederhana : Zat Cair Murni

Viskositas Relatif : Sistem dispersi Heterogen

n

η

6/

19/

2013

Viskositas Relatif : Sistem dispersi Heterogen :

Viskositas Dinamis :

n

η

Satuan Poise

n

η

n

η

1

₂

Viskositas Kinematis : Satuan : Stoke /Centi Stoke Kerapatan Det . dyne cm x dyne dr . ' F = = =

n

η

ρ

n

η

6/ 19/ 2013 2 2 cm Det . dyne det / cm x cm cm x dyne dv A dr . ' F = = = 2 2 det det / cm x cm x gram = det . cm gram =

n

η

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,

11

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

6/

19/

2013

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/cm3. Berapakah viskositas kinematis aseton pada 25°C

12

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,

η

rel) pada 25°C?

6/ 19/ 2013 Penyelesaian a. Viskositas kinematis = 0,313 cp / 0,788 g/cm3 = 0,397 poise/(g/cm3) atau 0,397 cs.

b. rel (aseton) = 0,313 cp/0,8904 cp = 0,352 (tanpa satuan)

η

SISTEM NON NEWTON

Zat yang tidak mengikuti persamaan alir Newton

6/

19/

2013

Sistem dispersi heterogen cair dan padat (larutan koloidal, emulsi, suspensi, salep, dll)

Fluiditas = Harga resiprok/kebalikan dari viskositas

=

θ

1

NON NEWTON

Zat yang tidak mengikuti persamaan alir Newton

Time Independent Time Dependent

- Plastik - Tiksotropi

6/

19/

2013

- Plastik - Tiksotropi

- Pseudoplastik - Anti Tiksotropi/

- Dilatan Tiksotropi Negatif

- Reopeksi

- Anti Reopeksi/ Reopeksi Negatif

Non Newton :

- Larutan kolloidal - Emulsi 6/ 19/ 2013 - Suspensi cair - Salep - Krim - Masa Suppositoria - Campuran heterogen 16

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

6/

19/

2013

- 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

Maka :

F n = .G n = Derajat tipe alir non Newton Log G = a Log F – Log

Persamaan garis lurus, pseudoplastik disebut “SHEAR THINNING SYSTEM”

n

η

n

η

6/19/

2013

disebut “SHEAR THINNING SYSTEM”

N = 1 Larutan NEWTON

F 0

G

TIPE ALIRAN PLASTIK

- F < Yield Value Zat cair tidak mengalir Zat elastik (zat padat)

- F = Yield Value Zat mulai mengalir

- F > Yield Value Pemberian F berikutnya akan menghasilkan G G

6/

19/

2013

F berikutnya akan menghasilkan G yang proporsional seperti Newton garis lurus

- Yield Value terjadi karena terjadi penggabungan partikel dengan gaya van der waals

F 0 Yield Value

Badan BINGHAM Angka arah disebut mobilitas (= fluiditas ) pada Newton

Harga resiproknya adalah viskositas plastik

Viskositas plastik U =

(

F − f

)

6/ 19/ 2013 Viskositas plastik

(

)

G f F U = − f = Yield value F = Tek. Geser G = Kecepatan geser 20

Yield Value

MENGALIR

Yield Value Merupakan indikasi Flokulasi

Makin tinggi

6/

19/

2013

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

TIPE ALIRAN DILATAN

- Kurva lewat nol

- Partikel dispers terdeflokul dengan kadar tinggi ( ≥ 50 %) - Pada F = 0, partikel rapat, volume interpartikel

(Void) minimum

6/

19/

2013

- Pada F tertentu partikel lepas partikel yang jumlahnya banyak bergerak mengisi ruang kosong

G masih rendah suspensi dapat dituangkan dari botol mencair

- 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

6/

19/

2013

- Pers = Pers pseudoplastik

( N < 1). (N = 1) NEWTON Konsist.tinggi

Partikel rapat Vol void min Konstensi rendah

Bertambah kecep. geser

Partikel terbuka Vol. Void bertambah23

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

6/

19/

2013

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 dengan mudah.

0 F 0 _F

G G

6/

19/

2013

- Ada hubungan antara derajat tiksotropi dan kecepatan sedimentasi berbanding terbalik penting

untuk pembuatan sediaan

ANTI TIKSOTROPI

• Kurva turun lewat kanan kurva naik • Magma magnesia MENGUKUR TIKSOTROPI 6/ 19/ 2013 MENGUKUR TIKSOTROPI

Dengan luas daerah histeresis

1. Menentukan struktural breakdown terhadap waktu pada kecepatan geser tetap

Koefisien tiksotropi 1 2 2 1 t t In U U B = − 26

2.Menentukan struktural breakdown pada kecepatan geser yang bertambah (pemecahan struktur karena G F 6/ 19/ 2013 G) Koefisien tiksotropi

(

₍

₎

)

1 2 2 1 2 ln 2 V V U U M = −

U₁ dan U₂ = Viskositas plastik dua kurva yang menurun

F G

Tiksotropi Dalam Formulasi Konsistensi tinggi Digojog dituang encer/cair Mudah mengalir 6/ 19/ 2013 Kembali semula

Sifat yang diinginkan

Homogen, partikel tetap tersuspensi

Tidak segera mengendap Homogen

Dibutuhkan dalam : - Emulsi - Lotion - Cream - Salep 6/ 19/ 2013 - Salep - Suspensi parenteral (sebagai depot)

Injeksi procain penisilin G dalam air

Derajat tiksotropi

Kecepatan pengendapan

Stabilitas suspensi

Makin besar derajat tiksotropi makin kecil kecepatan pengendapan

Salep/cream :

Salep bacitracin usp dalam wadah tiksotropi

6/

19/

2013

Salep bacitracin usp dalam wadah tiksotropi

Digunakan pada kulit tiksotropi hilang

(karena tikso, konsistensi, yield value berkurang jika T

• Tiksotropi kembung

• Mis : Bentonit dalam air 10-15 % • Kristal bentotit membentuk

struktur

Rumah kartu struktur

6/

19/

2013

Rumah kartu struktur Tiga dimensi putaran

Histeresis yang menggelembung

• Tiksotropi taji

• Benzil penisilin, procain penisilin

• Y = Spur value = titik tajam dari pemecahan struktur pada suatu shear rate yang rendah

6/

19/

2013

suatu shear rate yang rendah • Untuk sediaan depot

intramuskuler yang tahan lama

• Biasanya sangat tiksotropi

Reopeksi zat padat ( ≥ 50 %)

Peningkatan kecepatan pemadatan sol (dilatan) Sol menjadi gel lebih cepat diaduk perlahan-lahan

G

6/

19/

2013

Anti reopeksi = negatif reopeksi G

0 _F

33

G

0 _F

Viskositas dipengaruhi T :

Persamaan ARRHENIUS =

n

η

= A. e

RT

Ev

A = Tetapan tergantung BM dan volume Molar zat Cair

6/

19/

2013

A = Tetapan tergantung BM dan volume Molar zat Cair Ev = Energi aktivasi yang digunakan untuk permulaan

mengalir molekul-molekul

T naik

n

η

zat cair naik θ berkurang

PENENTUAN VISKOSITAS LARUTAN/ZAT CAIR Viskosimeter : alat untuk menentukan viskositas

Penentu viskositas :

6/

19/

2013

- Tergantung tipe alir

- Untuk Newton one point instrument

- Untuk non Newton multi point instrument

Berdasarkan prinsipnya : - Viskositas kapiler

- Viskositas bola jatuh - Viskositas cup and bob - Viskositas cone and plate

6/

19/

2013

n

η

Newton = 200 4000 = 20 poise

n

η

PSUDO = 8,5 poise G 6/ 19/ 2013 poise 10 200 2000 4000 = − = Uc UD poise 5 200 3000 4000 = − = F 0 ₃₇

6/

19/

2013

Viskosimeter Ostwald

38

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

Besarnya hukum Poiseuille =

VISKOMETER KAPILER DAN BOLA JATUH TIDAK BISA DIGUNAKAN UNTUK MENGUKUR

VISKOSITAS LARUTAN NON NEWTON 1. Viskosimeter kapiler = viskosimeter ostwald

n

η

₌

π

.

r

4

t

∆

P

6/ 19/ 2013

n

η

v

.

l

.

8

=

n

η

v

.

l

.

8

t

p

.

r

.

4 _{1 1}

π

=

n

η

v

.

l

.

8

t

p

.

r

.

4 _{2 2}

π

=

n

η

n

η

₂

1

2 2 4 1 1 4

t

.

p

.

r

.

v

.

l

.

8

X

v

.

l

.

8

t

.

P

.

r

.

π

π

=

39

VISKOSITAS RELATIF

η

η

η

_{1 =}

P

₁

. t

₁

η

₂

P

₂

. t

₂ 6/ 19/ 2013

Dibandingkan dengan

η

₁ zat yang sudah diket. (air)

η

₂

40 air . air zat zat

t

t

.

ρ

ρ

=

Alat dan perlakuan sama :

n

η

n

η

_air

zat

_{ρ = kerapatan}

2. Viskometer bola jatuh : viskometer hoeppler Dasarnya : Gerakan bola jatuh ditentukan

oleh viskositas zat temperatur konstant Hasil dihitung dengan rumus :

n

η

_t

(

_d

_d

t_{t zat}

)

_B

B t t

−

=

6/ 19/ 2013

n

η

₌

_t

(

_d

_tB

₋

_d

_{t zat}

)

_B

t = waktu internal (detik)

41

Untuk bola macam-macam

B = Tetapan Bola

d’ = Bobot jenis pada suhu t t > 30 detik

3. Viskometer cup dan bob : viskometer standar

'

F

_n

dv

6/ 19/ 2013

=

A

'

F

_n

η

dr

dv

      − π = = Ω c 2 b 2 R 1 R 1 h 4 T 1 Q 42

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 6/ 19/ 2013 c

Dengan memasukkan faktor-faktor yang berpengaruh stormermenent

n

η

V

W

Kv

=

n

η

Kv = tetap alat_{W = beban (g)}

Untuk tipe plastik

V

W

W

Kv

u

=

−

f

Penggunaan viskositas ini terganggu karena timbulnya aliran sumbat karena adanya perbedaan shear stress

4. Viskometer cone and plate = viskometer ferranti - shirley Viskometer brookfield

6/

19/

2013

Viskometer brookfield

Zat Newton dihitung dengan :

n

η

v

T

C

=

c : tetapan alat T : putaran V : kecepatan putar/menit 44

Zat tipe plastik dihitung dengan :

V

T

T

c

U

=

−

f Dengan ambang : f = C_f x T_f

T_f = Putaran pada sumbu tekanan geser (ekstrapolasi bagian linier kurva)

C_f = Tetapan alat

6/

19/

2013

C_f = 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)

Dalam viskometer cup and bob : sampel di shear diantara cup dan bob :

bob (rotor) Cup (mangkuk) Di dalam Di luar Zat 6/ 19/ 2013

Gejala aliran sumbat penting pada : - Pasta

- Suspensi pekat Keluar dari tube

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

6/

19/

2013

Viskometer cone and plate :

Sampel diletakkan pada plate di shear cone dikemudikan oleh motor dengan kecepatan yang dapat

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:

6/

19/

2013

Tergantung cup/bob yang berputar

- Viskometer copuette = cup berputar

- Viskometer mac Michael = cup berputar (mis) - Viskometer searle = bob berputar

- Viskometer rotovisco = bob berputar (mis)

VISKOELASTISITAS Bahan yang viskoelastik

- Produk yang semisolid - Makanan

- Kosmetik

Shear kontinu menggunakan viskometer putar

6/

19/

2013

Shear kontinu menggunakan viskometer putar Pada shear kontinu

Bahan mengalami deformasi pada pengukuran

Bahan viskoelastik diukur dengan viskositas

Bahan farmasi (viskoelastik) :

- Kream - Zat pengemulsi

- Lotio - Zat pensuspensi

- Salep - Darah

- Suppositoria - Air liur

6/

19/

2013

- Suppositoria - Air liur

- Suspensi - Cairan servik

- Dispersi kolloid

Viskoelastik

Cairan

Padatan

Cairan = dengan aliran cairan Newton

6/

19/

2013

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

P

ENERAPAN RHEOLOGI DALAM

BIDANG FARMASI

1. Cairan

Pencampuran

Pengurangan ukuran partikel dari sistem dispersi dengan shear

6/

19/

2013

sistem dispersi dengan shear Pelewatan melalui mulut,

penuangan, pengemasan dalam botol, pelewatan melalui jarum suntik

Perpindahan cairan

Stabilitas fisik sistem dispersi

2.

Semi solid

Penyebaran dan pelekatan pada

kulit

Pemindahan dari wadah/tube

Kemampuan zat padat untuk

6/

19/

2013

Kemampuan zat padat untuk

bercampur dengan cairan-cairan

Pelepasan obat dari basisnya

3.

Padatan

Aliran serbuk dari corong ke

lubang cetakan tablet/kapsul

Pengemasan serbuk/granul

4.

Pemprosesan

6/ 19/ 2013

4.

Pemprosesan

Kapasitas produksi alat

Efisiensi pemrosesan