Rabu, 07 Desember 2011

Viskositas Newton dan Non-Newton


Rheologi berasal dari bahasa Yunani mengalir (rheo) dan ilmu (logos), digunakan istilah ini untuk pertama kali oleh Bingham dan Crawford untuk menggambarkan aliran cairan dan deformasi dari padatan.Viskositas adalah suatu pernyataan tahanan dari suatu cairan untuk mengalir; makin tinggi viskositas, akan makin besar tahanannya. Dalam bidang farmasi, peranan rheologi sangat penting karena menyangkut stabilitas, keseragaman dosis, keajegan keseragaman produksi serta tinjauan praktis dalam penggunaan sediaan suspense dan emulsi.Penerapannya dalam formulasi dan analisis dari produk farmasi seperti emulsi, pasta, dan penyalutan tablet, konsistensi dari krim obat dan kosmetik, dsb.
Rheologi penting dalam pencampuran dan sifat alir bahan, pengecilan ukuran partikel dalam sistem disperse, stabilitas fisik sistem disperse, pelepasan obat dari basis, waktu alir serbuk dalam proses penabletan dan pengkapsulan, pengemasan serbuk dll.
Pada dasarnya rheologi mempelajari hubungan antara tekanan gesek (shearing stress) dengan kecepatan gesek (shearing rate) pada cairan atau hubungan strain dan stress pada benda padat. Penggolongan bahan menurut tipe aliran dan deformasi adalah sebagai berikut:

1.    Sistem Newton
2.    Sistem non-Newton
Pemilihan bergantung pada sifat-sifat alirannya apakah sesuai dengan hokum aliran Newton atau tidak.
Sistem Newton
Newton adalah orang pertama yang mempelajari sifat-sifat aliran dari cairan secara kuantitatif. Dia menemukan bahwa makin besar viskositas suatu cairan, akan makin besar pula gaya persatuan luas (shearing stress) yang diperlukan untuk menghasilkan suatu rate of shear tertentu. Oleh karena itu, rate of shear harus berbanding langsung dengan shearing stress.
Persamaan tersebut dapat ditulis sebagai :
Dimana : η = koefisien viskositas/ viskositas
gaya persatuan luas yang diperlukan untuk menyebabkan aliran(shearing stress)
kecepatan gesek (shearing rate)
dv = perbedaan kecepatan antara dua bidang cairan
dr = jarak yang kecil sekali yang memisahkan 2 bidang cairan
Rheogram cairan yang mempunyai tipe alir Newton adalah sbb:
 



                                                                                          
                    Gambar Rheogram cairan dengan tipe alir Newton
Cairan yang mempunyai tipe alir Newton misalnya ; air, etanol, gliserin, minyak pelumas serta larutan yang mempunyai senyawa terlarut dengan ukuran partikel kecil, misalnya larutan gula. Untuk menentukan viskositas cairan Newton dapat digunakan semua alat pengukur viskositas, misalnya viskometer Ostwald, Hoppler, Brookfield, Stormer, dll.
Satuan viskositas adalah poise, yaitu gaya gesek yang diperlukan untuk menghasilkan kecepatan 1cm/dt antara 2 bidang paralel dari zat cair yang luasnya 1 cm2 dan dipisahkan oleh jarak 1 cm.
            Untuk percobaan ini digunakan viskometer Ostwald.Dasar penggunaan alat ini adalah hukum Poiseuille, untuk suatu cairan yang mengalir melalui suatu tabung kapiler.
                                   
dimana :η = viskositas
                        r = jari-jari dalam kapiler
                        t = waktu alir
            ΔP = tekanan ats (pressure head) yang bekerja pada zat cair
                        = panjang kapiler
                        V= volume cairan yang mengalir
Apabila r pada alat diketahui, maka rumus di atas adalah rumus viskositas absolut. Tetapi apabila r tidak diketahui, maka alat tersebut biasanya dikalibrasi dengan cairan yang telah diketahui viskositasnya, biasanya air dan digunakan alat yang sama.
                       
Karena digunakan adalah alt yang sama untuk mengukur keduanya maka :
                       
Karena tekanan yang menekan cairan melalui kapiler sesuai dengan percepatan gravitasi dan berbanding lurus dengan kerapatan cairan, maka :
         
Sistem non-Newton
Non-Newtonian bodies adalah zat-zat yang tidak mengikuti persamaan aliran Newton; dispersi heterogen cairan dan padatan seperti larutan koloid, emulsi, suspensi cair, salep dan produk-produk serupa masuk dalam kelas ini. Dalam farmasi, lebih besar kemungkinan menjumpai cairan non-Newton dibanding dengan cairan biasa. Jika bahan-bahan non-Newton dianalisis dalam suatu viskometer putar dan hasilnya diplot, diperoleh berbagai kurva konsistensi yang menggambarkan adanya 3 kelas aliran, yaitu : plastis, pseudoplastis, dan dilatan.
a.    Aliran plastis (Bingham Bodies)
Aliran plastis berhubungan dengan adanya partikel-partikel yang terflokulasi dalam suatu suspensi pekaqt.Akibatnya terbetuk struktur kontinue diseluruh sistem. Viskositas plastis sering dinyatakan dengan persamaan berikut:   
dimana:      U = viskositas plastis
                        f  = yield value
                        G = rate of shear
                        F = shearing stress
b.    Aliran pseudoplastis
Sejumlah besar produk farmasi termasuk gom alam dan sintesis, misalnya: disperse cair dari tragakan, Na alginat, metil selulosa dan CMC Na menunjukkan aliran pseudoplastis, sering disebut sebagai shear-thining system. Viskositas zat pseudoplastis berkurang dengan meningkatnya pengadukan.
c.    Aliran dilatan
Suspensi-suspensi tertentu dengan persentase zat padat terdisper tinggi missalnya: cat, tinta atau pasta menunjukkan peningkatan dalam daya hambat untuk mengalir dengan meningkatnya rate of shear.

(Anonim, 2010)


Ketergantungan temperature dan teori viskositas
            Jika viskositas dari gas bertambah dengan temperature, maka viskositas dari zat cair berkurang jika temperature dinaikkan, dan fluiditasnya, yaitu harga resiprok dari viskositasnya, bertambah dengan temperature. Ketergantungan viskositas zat cair terhadap temperature dinyatakan secara pendekatan untuk banyak zat oleh suatu persamaan yang analog dengan persamaan Arhenius untuk kimia kinetic :
                       
Dimana A= tetapan yang tergantung dari bobot molekul dan volume molar zat cair; Ev= energy aktivasi yang dibutuhkan untuk memulai terjadinya aliran antara molekul-molekul.
            Energi penguapan zat cair adalah energy yang dibutuhkan untuk memindahkan suatu molekul zat cair meninggalkan suatu lubang yang ukurannya sama dengan molekul yang dipisahkan. Suatu lubang harus dibuat dalam zat cair jika satu molekul harus mengalir melalui yang lain. Energy aktivasi untuk mengalir didapatkan sama dengan ± 1/3 energi penguapan dan dapat disimpulkan bahwa ruang bebas yang dibutuhkan untuk mengalir adalah ± 1/3 dari volume satu molekul. Ini rupanya cocok dengan fakta bahwa suatu molekul yang mengalir dapat kembali, membelok dan bergerak dalam ruang yang lebih kecil daripada volume molekul tersebut, seperti sebuah mobil dalam tempat parker yang padat.Difusi adalah mirip dengan aliran viskositas dan seperti fluiditas, kecepatan difusi bertambah secara eksponensial dengan temperature.
(Moechtar, 1989)
            Satuan SI  viskositas adalah N.s/m2 = Pa.s. satuan cgs yang lebih tua yang masih sering digunakan adalah Poise, menurut nama fisikawan Perancis Poisuille. Satuan-satuan ini dihubungkan oleh
                        1 Pa.s = 10 Poise
Pada umumnya, viskositas cairan bertambah bila temperature berkurang.Jadi, dalam iklim yang dingin, minyak dengan derajat yang lebih encer digunakan untuk melumasi mesin mobil di musim dingin dibandingkan di musim panas.
           
Hukum Poiseuille             
(Tipler, 1998)
           


Penerapan di bidang Farmasi
·         Cairan
a.       Pencampuran
b.      Pengurangan ukuran partikel dari sistem-sistem disperse dengan shear.
c.       Pelewatan melalui mulut, termasuk penuangan, pengemasan dalam botol, pelewatan melalui jarum suntik.
d.      Perpindahan cairan, termasuk pemompaan dan pengaliran melalui pipa.
e.       Stabilitas fisik dari sistem-sistem disperse.
·         Quasisolid
a.       Penyebaran dan pelekatan pada kulit.
b.      Pemindahan dar wadah atau pengeluaran dari tube.
c.       Kemampuan zat padat untuk bercampur dengan cairan-cairan yang saling bercampur satu dengan yang lainnya.
d.      Penglepasan obat dari basisnya.
·         Padatan
a.       Aliran serbuk dari corong ke dalam lubang pencetak tablet atau ke dalam kapsul selama proses pembuatan.
b.      Kemampuan pengemasan dari padatan dalam bentuk serbuk atau granul.
·         Pemrosesan
a.       Kapasitas produksi dari alat
b.      Efisiensi pemrosesan.
(Alfred Martin dkk, 1993)









Tidak ada komentar:

Poskan Komentar