RHEOLOGIRHEOLOGI

arisanty arisanty

RheologiRheologi

Asal kata :Asal kata :Rheos : ilmuRheos : ilmuRogos : mengalirRogos : mengalir

Viskositas : Suatu pernyataan tahanan Viskositas : Suatu pernyataan tahanan dari suatu cairan untuk mengalir dari suatu cairan untuk mengalir

Aplikasi RheologiAplikasi Rheologi

1.1. Pada pencampuran (Pada pencampuran (mixingmixing) dan ) dan pentabletanpentabletan

2.2. Aliran bahanAliran bahan

3.3. Pemasukan obat dalam wadah (dalam tube Pemasukan obat dalam wadah (dalam tube atau botol)atau botol)

4.4. Aliran lewatnya obat melalui jarum injeksiAliran lewatnya obat melalui jarum injeksi

5.5. Pengeluaran dari tube saat digunakanPengeluaran dari tube saat digunakan

6.6. Aliran granul pada waktu produksi Aliran granul pada waktu produksi tablet/kapsultablet/kapsul

7.7. Analisis pembungkus, etiket untuk Analisis pembungkus, etiket untuk menghindari pemalsuanmenghindari pemalsuan

Prinsip Dasar RheologiPrinsip Dasar Rheologi

Pada dasarnya Rheologi adalah ilmu yang Pada dasarnya Rheologi adalah ilmu yang mengkaitkan hubungan antara tekanan gesek mengkaitkan hubungan antara tekanan gesek ((Shearing StressShearing Stress) dengan kecepatan gesek ) dengan kecepatan gesek ((Shearing RateShearing Rate) yang terjadi untuk suatu cairan) yang terjadi untuk suatu cairan

Kurva yang dihasilkan dari hubungan Kurva yang dihasilkan dari hubungan tersebutdisebut Rheogramtersebutdisebut Rheogram

CatatanCatatan: Satuan koordinat kurva tsb:: Satuan koordinat kurva tsb:

Shearing stressShearing stress dlm F = F’/A (dyne cm dlm F = F’/A (dyne cm--

22))

ShearingratShearingrate dlm G = dv/dr (dete dlm G = dv/dr (det-1-1))

Dua bidang sejajar berjarak x; Dua bidang sejajar berjarak x; antara bidang-bidang tsb, isi antara bidang-bidang tsb, isi kental dibatasi. kental dibatasi. Puncak,bidangA,bergerak secara Puncak,bidangA,bergerak secara horizontal dengan kecepatan v horizontal dengan kecepatan v karena aksi dengan gaya F. karena aksi dengan gaya F. Bidang B yang lebih bawah tidak Bidang B yang lebih bawah tidak bergerak. Akibatnya ada suatu bergerak. Akibatnya ada suatu perubahan kecepatan v/x antara perubahan kecepatan v/x antara bidang-bidang tsb.bidang-bidang tsb.

Perubahan ini didefinisikan Perubahan ini didefinisikan sebagai sebagai rate of shear,G.rate of shear,G.

Shearingstress,S,adl gaya Shearingstress,S,adl gaya persatuanl uas yang persatuanl uas yang menciptakan perubahan bentuk.menciptakan perubahan bentuk.

Dimana :Dimana :

dv = Perubahan dv = Perubahan kecepatankecepatan

dx = Ketebalan lapisandx = Ketebalan lapisan

Contoh 1:Contoh 1:

Jika sedikit minyak Jika sedikit minyak digosokkan ke kulit digosokkan ke kulit dengan laju dengan laju pergerakan relatif pergerakan relatif antara kedua antara kedua permukaan 15cm/detik permukaan 15cm/detik dan ketebalan lapisan dan ketebalan lapisan 0,01cm, maka 0,01cm, maka berapakah besar berapakah besar rate rate of shearnya?of shearnya?

Tipe aliranTipe aliran

Sistem NewtonSistem NewtonSistem Non NewtonSistem Non Newton

Aliran NewtonAliran Newton

Newton adalah orang pertama yang Newton adalah orang pertama yang mempelajari sifatsifat aliran dari cairan mempelajari sifatsifat aliran dari cairan secara kuantitatif.secara kuantitatif.

Dia menemukan bahwa:Dia menemukan bahwa:

makin besar viskositas suatu cairan, akan makin besar viskositas suatu cairan, akan makin besar pula gaya persatuan luas makin besar pula gaya persatuan luas ((shearing stress) yang diperlukan untuk shearing stress) yang diperlukan untuk menghasilkan rate of shear tertentumenghasilkan rate of shear tertentu

Aliran NewtonAliran Newton

Rate of shear harus berbanding lurus dengan Rate of shear harus berbanding lurus dengan shearing stressshearing stress

ηη adalah koefisien viskositas atau viskositas. adalah koefisien viskositas atau viskositas. Satuan viskositas adalah Satuan viskositas adalah poise, didefinisikan poise, didefinisikan sebagai gaya geser yang diperlukan agar sebagai gaya geser yang diperlukan agar menghasilkan kecepatan 1cm/detik di antara dua menghasilkan kecepatan 1cm/detik di antara dua bidang sejajar cairan yang masing-masing bidang sejajar cairan yang masing-masing luasnya 1cmluasnya 1cm22 dan dipisahkan oleh jarak 1 cm. dan dipisahkan oleh jarak 1 cm.

SISTEM NEWTONSISTEM NEWTON

Mengikuti hukum aliran NewtonMengikuti hukum aliran NewtonMakin besar viskositas suatu cairan, Makin besar viskositas suatu cairan,

makin besar gaya per satuan luas makin besar gaya per satuan luas yang diperlukan untuk menghasilkan yang diperlukan untuk menghasilkan suatu rate of shear tertentu.suatu rate of shear tertentu.

Di mana : Di mana : = koefisien viskositas ~ = koefisien viskositas ~ viskositasviskositas

G

F

dr

dv.

A

'F

Satuan Satuan viskositas viskositas : poise: poise = dyne detik = dyne detik cm-2cm-2

Cps (centipoise) = 0,01 poiseCps (centipoise) = 0,01 poise

22

det

det

'

cm

dynecmcm

cmdyne

Adv

drF

Fluiditas, Fluiditas, , didefinisikan kebalikan , didefinisikan kebalikan dari viskositasdari viskositas

Viskositas kinematis = viskositas Viskositas kinematis = viskositas absolut, merupakan viskositas dibagi absolut, merupakan viskositas dibagi dengan kerapatandengan kerapatan

1

Viskositas kinematis

Satuan : stoke(s) atau centi stokes

Contoh soal :Contoh soal :Dengan viskometer Ostwald, didapat Dengan viskometer Ostwald, didapat

viskositas aseton 0,313 cp pada viskositas aseton 0,313 cp pada 250C. Kerapatan aseton (25250C. Kerapatan aseton (2500C) = C) = 0,788 g/cm3. Berapa viskositas 0,788 g/cm3. Berapa viskositas kinematis aseton?kinematis aseton?

Jika diketahui viskositas air (25Jika diketahui viskositas air (2500C) = C) = 0,8904 cp. Berapa viskositas aseton 0,8904 cp. Berapa viskositas aseton relatif terhadap air pada 25relatif terhadap air pada 2500C?C?

Ketergantungan Temperatur dan Ketergantungan Temperatur dan Teori viskositasTeori viskositas

Viskositas gas meningkat dengan Viskositas gas meningkat dengan naiknya temperaturnaiknya temperatur

Viskositas cairan menurun jika Viskositas cairan menurun jika temperatur dinaikkantemperatur dinaikkan

Fluiditas Fluiditas kebalikan dari viskositas kebalikan dari viskositasFluiditas cairan meningkat jika Fluiditas cairan meningkat jika

temperatur dinaikkantemperatur dinaikkan

Persamaan kinetika ArrheniusPersamaan kinetika Arrhenius

RTEa

eA

A= konstanta yang tergantung dari bobot molekul

Ea= Energi pengaktifan

Rat

e of

she

ar

Shearing stress

a) Aliran Newton b) Aliran PlastisR

ate

of s

hear

Shearing stress

f

Rat

e of

she

ar

Shearing stress

Rat

e of

she

ar

Shearing stress

c) Aliran pseudoplastis d) Aliran dilatan

SISTEM NON NEWTONSISTEM NON NEWTON

Aliran plastisAliran plastisAliran PseudoplastisAliran PseudoplastisAliran DilatanAliran Dilatan

Aliran sistem Non-NewtonAliran sistem Non-Newton

= rate of shear= rate of shear

= = perbedaan kecepatan antara 2 perbedaan kecepatan antara 2 bidang cairan yang dipisahkan oleh bidang cairan yang dipisahkan oleh jarak yang sangat kecil.jarak yang sangat kecil.

= shearing stress= shearing stress

==gaya per satuan luas yang diperlukan gaya per satuan luas yang diperlukan untuk menyebabkan aliran.untuk menyebabkan aliran.

dr

dvG

A

FF

'

1. Aliran Plastis1. Aliran Plastis

Disebut sebagai Disebut sebagai Bingham bodiesBingham bodiesKurva plastis Kurva plastis tidak melewati tidak melewati titik (0,0), tetapi titik (0,0), tetapi memotong sumbu memotong sumbu shearing stressshearing stress, , dikenal dengan dikenal dengan harga yield (yield harga yield (yield value)value)..

Rat

e of

she

ar

Shearing stress

f

Harga stress dibawah yield value, Harga stress dibawah yield value, zat bertindak sebagai bahan elastis zat bertindak sebagai bahan elastis (seperti zat padat(seperti zat padat

Kemiringan rheogram disebut Kemiringan rheogram disebut mobilitymobility ≈ fluiditas pada sistem ≈ fluiditas pada sistem Newton.Newton.

Kebalikannya adalah Kebalikannya adalah viskositas viskositas plastisplastis = U = U

G

fFU

f= yield value dalam dyne cm-2

Contoh soal :Contoh soal :

Suatu bahan plastis diketahui Suatu bahan plastis diketahui mempunyai yield value 5200 dyne mempunyai yield value 5200 dyne cm-2. Pada shearing stress di atas cm-2. Pada shearing stress di atas yield value, F ditemukan meningkat yield value, F ditemukan meningkat secara linear dengan meningkatnya secara linear dengan meningkatnya G. Jika rate of shear 150 dt-1 pada G. Jika rate of shear 150 dt-1 pada saat F = 8000 dyne cm-2, hitung saat F = 8000 dyne cm-2, hitung viskositas plastis sampel tsb !viskositas plastis sampel tsb !

Contoh :Contoh :Partikel terflokulasi pada suspensi

Terbentuk struktur kontinu

Adanya gaya van der waals (ikatan antar partikel)

Partikel terflokulasi pada suspensi

Ikatan pecah aliran padat terjadiYield value

2. Aliran Pseudopastis2. Aliran Pseudopastis

Contoh : Contoh : dispersi dispersi cair dari tragakan, cair dari tragakan, Na alginat, metil Na alginat, metil selulosa, CMC Naselulosa, CMC NaViskositas Viskositas berkurang dengan berkurang dengan meningkatnya rate meningkatnya rate 0f shear (cairan 0f shear (cairan menjadi encer)menjadi encer)Disebut shear Disebut shear thinning systemthinning system

Rat

e of

she

arShearing stress

G'FN

'logFlogNGlog

• Eksponen N meningkat pada saat aliran meningkat menjadi non-Newton

• N=1, alirannya adalah Aliran Newton

Persamaan Regresi Linear

3. Aliran Dilatan3. Aliran Dilatan

Suspensi tertentu (persentase zat Suspensi tertentu (persentase zat padat terdispersi tinggi) padat terdispersi tinggi) peningkatan daya hambat untuk peningkatan daya hambat untuk mengalir dengan meningkatnya mengalir dengan meningkatnya rate rate of shear.of shear.

Volume meningkat dengan terjadinyaVolume meningkat dengan terjadinya shear shear disebut dilatan disebut dilatan

Disebut sebagai Disebut sebagai shear thickening shear thickening systemsystem..

G

Partikel tertutup rapat

Volume kosong minimum

Pembawa cukup

Konsistensi relatif rendah

Partikel susun longgar

Volume kosong meningkat

Pembawa tidak cukup

Konsistensi relatif tinggi

THIKSOTROPITHIKSOTROPI

Menunjukkan adanya pemecahan Menunjukkan adanya pemecahan struktur yang tidak terbentuk dengan struktur yang tidak terbentuk dengan segera jika stress dihilangkan atau segera jika stress dihilangkan atau dikurandikurangigi

Terjadi pada Terjadi pada shear thinning systemshear thinning system (plastis, atau pseudoplastis)(plastis, atau pseudoplastis)

Didefinisikan sebagai suatu pemulihan Didefinisikan sebagai suatu pemulihan isoterm dan lambat pada pendiaman isoterm dan lambat pada pendiaman suatu bahan yang kehilangan suatu bahan yang kehilangan konsistensinya karena konsistensinya karena shearingshearing..

Rat

e of

she

ar

Shearing stress

Plastis

Pseudoplastis

Gambar thiksotropi pada aliran plastis dan pseudoplastis

Pengukuran thiksotropiPengukuran thiksotropi

Dengan melihat putaran histeresis Dengan melihat putaran histeresis yang dibentuk oleh kurva menaik yang dibentuk oleh kurva menaik dan menurun dari rheogram.dan menurun dari rheogram.

Luas daerah histeresis merupakan Luas daerah histeresis merupakan suatu ukuran pemecahan thiksotropi.suatu ukuran pemecahan thiksotropi.

Pengukuran untuk plastis Pengukuran untuk plastis (bingham bodies)(bingham bodies)

1.1. Menentukan pemecahan struktural Menentukan pemecahan struktural terhadap waktu pada rate of shear terhadap waktu pada rate of shear konstan.konstan.

Rat

e of

she

ar

Shearing stress

-----t2---------t1---

1

2

21

ttln

UUB

B= konstanta thiksotropi

1/U1

1/U2

2.2. Menentukan pemecahan struktural Menentukan pemecahan struktural karena meningkatnya shear ratkarena meningkatnya shear ratee..

2

1

2

21

)VV(ln

)UU(2M

M = konstanta thiksotropiR

ate

of s

hear

Shearing stress

1/U1

1/U1

Thiksotropi negatif atau Thiksotropi negatif atau antithiksotropiantithiksotropi

Menyatakan Menyatakan kenaikan kenaikan konsistensi konsistensi pada kurva pada kurva yang menurun.yang menurun.

Contoh : Contoh : magma magma magnesiamagnesia

Rat

e of

she

ar

Shearing stress

Penyebab :Penyebab :Meningkatnya frekuensi tumbukan Meningkatnya frekuensi tumbukan

dari partikel-partikel terdispers, atau dari partikel-partikel terdispers, atau molekul-molekul polimer dalam molekul-molekul polimer dalam suspensi, menyebabkan ikatan antar suspensi, menyebabkan ikatan antar partikel naik, sehingga dalam partikel naik, sehingga dalam keadaan keseimbangan membentuk keadaan keseimbangan membentuk gumpalan-gumpalan besar. Dalam gumpalan-gumpalan besar. Dalam keadaan diam, gumpalan pecah keadaan diam, gumpalan pecah menjadi partikel-partikel.menjadi partikel-partikel.

RheopeksiRheopeksi

Suatu gejala di mana suatu sol Suatu gejala di mana suatu sol membentuk gel lebih cepat jika membentuk gel lebih cepat jika diaduk diaduk perperperlahan-lahan atau kalau perlahan-lahan atau kalau dishear daripada jika dibiarkan tanpa dishear daripada jika dibiarkan tanpa pengadukapengadukann

Anti thiksotropi Anti thiksotropi rheopeksi rheopeksi

☺☺Pada rheopeksi Pada rheopeksi sistem terdeflokulasi sistem terdeflokulasi dan dan berisi solid dispersi lebih dari berisi solid dispersi lebih dari 50%50%

☺☺Pada antithiksotropi sistem terflokulasi Pada antithiksotropi sistem terflokulasi dan berisi solid dispersi 1- 10 %.dan berisi solid dispersi 1- 10 %.

gelgel pd rheopeksi : pd rheopeksi : Bentuk keseimbangan Bentuk keseimbangan ☺☺

Pd antithiksotropi :solPd antithiksotropi :sol Bentuk keseimbanganBentuk keseimbangan

Pemilihan ViskometerPemilihan Viskometer

Semua viskometer dapat digunakan Semua viskometer dapat digunakan untuk menentukan viskositas sistem untuk menentukan viskositas sistem Newton dan hanya viskometer yang Newton dan hanya viskometer yang mempunyai kontrol mempunyai kontrol shear stressshear stress yang bervariasi dapat digunakan yang bervariasi dapat digunakan untuk bahan-bahan Non Newton.untuk bahan-bahan Non Newton.

Macam-macam viskometerMacam-macam viskometer

Visk. KapilerVisk. Kapiler Visk. Bola jatuhVisk. Bola jatuh

Visk. Cup & bobVisk. Cup & bob Visk. Kerucut dan lempengVisk. Kerucut dan lempeng

Sistem Newton

Sistem Newton dan

Non Newton

1.1. Viskometer kapiler Viskometer kapiler

Disebut sebagai viskometer ostwaldDisebut sebagai viskometer ostwaldDasar : Hukum PoiseuilleDasar : Hukum Poiseuille

Vl8

Ptr 4

Karena Karena P tergantung pada kerapatan P tergantung pada kerapatan cairan (cairan (), maka :), maka :

PtK tK

22

11

2

1

t

t

Contoh soal Contoh soal Jika waktu yang dibutuhkan aseton Jika waktu yang dibutuhkan aseton

untuk mengalir antara kedua tanda untuk mengalir antara kedua tanda pada viskometer Ostwald adalah 45 pada viskometer Ostwald adalah 45 detik, untuk air adalah 100 detik detik, untuk air adalah 100 detik (250C).(250C).

Diketahui kerapatan aseton 0,788 Diketahui kerapatan aseton 0,788 gram cm-3, kerapatan air 0,997 gram gram cm-3, kerapatan air 0,997 gram cm-3 dan viskositas air 0,8904 cps.cm-3 dan viskositas air 0,8904 cps.

Berapa viskositas aseton ?Berapa viskositas aseton ?

2.2. Viskometer Bola JatuhViskometer Bola Jatuh

Disebut viskometer HoepplerDisebut viskometer HoepplerPrinsip :Prinsip :Suatu bola gelas/besi jatuh ke bawah Suatu bola gelas/besi jatuh ke bawah

dalam suatu tabung gelas yang dalam suatu tabung gelas yang hampir vertikal, mengandung cairan hampir vertikal, mengandung cairan uji pada temperatur konstan. Laju uji pada temperatur konstan. Laju jatuhnya bola dengan jatuhnya bola dengan dan dan tertentu adalah kebalikan fungsi tertentu adalah kebalikan fungsi viskositas sampel tersebut.viskositas sampel tersebut.

B)SS(t fb

Dimana:

t : waktu (lamanya bola jatuh)

Sb : Gravitasi jenis dari bola

Sf : Gravitasi jenis dari cairan

B : Konstanta bola

3.3. Viskometer Viskometer ‘‘CupCup’’ and and ‘‘BobBob’’

Prinsip :Prinsip :Sampel diSampel di’’shearshear’’ dalam ruang antara dalam ruang antara

dinding luar, dinding luar, ‘‘bobbob’’ (rotor) dan dinding (rotor) dan dinding dalam mangkuk (dalam mangkuk (‘‘cupcup’’).).

Viskometer Couette, mis : visk. Mac Viskometer Couette, mis : visk. Mac MichaelMichael

Mangkuk yang berputarMangkuk yang berputarViskometer Searle, mis : visk. Rotovisco, Viskometer Searle, mis : visk. Rotovisco,

visk. Stormervisk. Stormer Rotor yang berputarRotor yang berputar

Viskometer stormerViskometer stormer

v

wK v

Dimana :

Kv : Konstanta alat

W : berat beban

V : rpm

v

wwKU f

v

Untuk aliran plastis

Dimana :

Wf : intersep yield value dalam gram

Yield valueYield valueff wKf

)RR(log303,2

1x

60

2xKK

b

cvf

Dimana :

Rc : jari-jari mangkok

Rb : jari-jari rotor

Contoh soal :Contoh soal :Suatu sampel gel dianalisis dengan Suatu sampel gel dianalisis dengan

viskometer Stormer yang dimodifikasi. viskometer Stormer yang dimodifikasi. Berat w sebesar 450 gram Berat w sebesar 450 gram menghasilkan kemenghasilkan keccepatan rotor v 350 epatan rotor v 350 rpm. Suatu seri kecepatan diperoleh rpm. Suatu seri kecepatan diperoleh dengan menggunakan berat pengendali dengan menggunakan berat pengendali lainnya, diperoleh suatu rheogram lainnya, diperoleh suatu rheogram aliran plastis. Intersep yield value wf aliran plastis. Intersep yield value wf diperoleh dengan mengekstrapolasi diperoleh dengan mengekstrapolasi kurva tersebut terhadap sumbu kurva tersebut terhadap sumbu shearing stress di mana v = 0, wf = 225 shearing stress di mana v = 0, wf = 225 gram. Konstanta alat Kv = 52,0 dan Kf gram. Konstanta alat Kv = 52,0 dan Kf = 20,0. Berapakah vikositas plastis dan = 20,0. Berapakah vikositas plastis dan yield value sampel tersebut?yield value sampel tersebut?

4.4. Viskometer Kerucut dan Viskometer Kerucut dan LempengLempeng

Contoh : viskometer Ferranti Contoh : viskometer Ferranti –– Shirley ShirleyPrinsip :Prinsip :Kerucut dikemudikan motor dengan Kerucut dikemudikan motor dengan

kecepatan yang berubah-ubah, kecepatan yang berubah-ubah, sampel dishear di antara lempeng sampel dishear di antara lempeng yang diam dan kerucut yang berputar. yang diam dan kerucut yang berputar. Rate of shearRate of shear : rpm (dengan dial : rpm (dengan dial pemilih). pemilih). Shearing stressShearing stress : puntiran : puntiran (dibaca pada skala penunjuk).(dibaca pada skala penunjuk).

Untuk cairan Untuk cairan NewtonNewton

dimana :dimana :

C = konstanta alatC = konstanta alat

T = puntiran T = puntiran (torque)(torque)

V = rpmV = rpm

Untuk cairan Untuk cairan plastis :plastis :

v

TC

v

TTCU f

ff TxCf

Penerapan rheologi Penerapan rheologi dalam dalam : :bidang farmasibidang farmasi

1.1. CairanCairan PencampuranPencampuran Pengurangan ukuran partikel dari Pengurangan ukuran partikel dari

sistem sistem dispersi dengan shearsistem sistem dispersi dengan shear Pelewatan melalui mulut,penuangan, Pelewatan melalui mulut,penuangan,

pengemasan dalam botol, pelewatan pengemasan dalam botol, pelewatan melalui jarum suntikmelalui jarum suntik

Perpindahan cairanPerpindahan cairan Stabilitas fisik sistem dispersiStabilitas fisik sistem dispersi

2.2. Semi solidSemi solid Penyebaran dan pelekatan pada Penyebaran dan pelekatan pada

kulitkulit Pemindahan dari wadah/tubePemindahan dari wadah/tube Kemampuan zat padat untuk Kemampuan zat padat untuk

bercampur dengan cairan-cairanbercampur dengan cairan-cairan Pelepasan obat dari basisnyaPelepasan obat dari basisnya

3.3. PadatanPadatan Aliran serbuk dari corong ke Aliran serbuk dari corong ke

lubang cetakan tablet/kapsullubang cetakan tablet/kapsul Pengemasan serbuk/granulPengemasan serbuk/granul

4.4.PemPempprosesanrosesan Kapasitas produksi alatKapasitas produksi alat Efisiensi pemrosesanEfisiensi pemrosesan

ThankThank’’s for your attentions for your attention