Rheologi

Rheologi berasal dari bahasa yunani mengalir (rheo) dan logos (ilmu). Digunakan istilah ini untuk pertama kali oleh Bingham dan Croeford untuk menggunakan aliran cairan dan deformasi dari padatan. Rheologi adalah ilmu yang mempelajari tentang aliran cairan dan deformasi.

Rheologi meliputi pencampuran dan aliran dari bahan, pemasukan kedalam wadah, pemudahan sebelum diunakan, apakah dicapai penuangan dari botol, pengeluaran dari tube, atau pelawatan dari jarum suntik. Rheologi dari produk tertentu yang dapat berkisar dalam konsentrasi dari bentuk cair kesemiloid sampai kepadatan, dapat mempengaruhi penerimaan bagi sipasien, stabilitas fisika, dan bahkan availabilitas diologis. Ahli fisiologi menggunakan ilmu ini untuk memperediksi sirkulasi darah. Para dokter menggunakan untuk menentukan aliran larutan injksi, sedangkan untuk ahli farmasi menggunkannya untuk menentukan aliran emulsi, suspensi dan salep

Sifat-sifat rheologi dari sistem farmaseutika dapat mempengaruhi pemilihan alat yang akan digunakan untuk memproses produk tersebut dalam pabrinya. Lebih-lebih lagi tidak adanya perhatian terhadap pemilihan alat ini akan berakibat diperolehnya hasil yang tidak diinginkan. Paling tidak dalam karakteristik alirannya. Aspek ini dan banyak lagi aspek-aspek rheologi yang diterapkan dibidang farmasi. Dalam penelitian dan teknologi farmasetik dan sejenisnya, pengukuran rheologi digunakan untuk mengkarakterisasi :

·         Kemudahan penuangan dari botol,

·         Penekanan atau pemencetan dari suatu tube atau wadah lain yang dapat berubah bentuk,

·         Pemeliharaan bentuk produk dalam suatu bejana atau sesudah pengeluaran,

·         Penggosokan bentuk produk di atas atau ke dalam kulit, dan

·         Bahkan pemompaan produk dari pencampuran dan penyimpanan ke alat pengisian atau pelewatan dari suatu jarum suntik yang diproduksi oleh industri

Penggolongan bahan menurut tipe aliran dan deformasi adalah sebagai berikut : sistem Newton dan sistem Non Newton. Pemilihan bergantung pada sifat-sifat alirannya apakah sesuai dengan hukum aliran dari newton atau tidak. Jika karakteristik fisika masing-masing ini dirancang dan dipelajari secara objektif menurut metode analisis dari rheologi, dapat diperoleh informasi yang berharga untuk digunakan dalam mempermulasi produk-produk farmasi yang lebih baik.

B.     Aliran 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 rate of shear tertentu. rate of shear harus berbanding lurus dengan shearing stress.

adalah koefisien viskositas atau viskositas. Satuan viskositas adalah poise, didefinisikan sebagai gaya geser yang diperlukan agar menghasilkan kecepatan 1 cm/detik di antara dua bidang sejajar cairan yang masing-masing luasnya 1 cm² oleh jarak 1 cm. Istilah fluiditas, , didefinisikan sebagai kebalikan dari viskositas : 

Viskositas kinematik (v), adalah viskositas mutlak seperti didefiniskan di atas di bagi oleh kerapatan cairan. Satuan viskositas kinematik adalah stoke (s) dan centistoke (cs).

Aliran newton adalah jenis aliran yang ideal. Pada umumnya cairan yang bersifat ideal adalah pelarut, campuran pelarut, dan larutan sejati. Shearing Stress, S, atau gaya yang diperlukan per satuan luas berbanding lurus dengan kecepatan aliran yang dihasilkan atau Rate of Shear, G.

C.    Aliran Sistem Non Newton

Hampir seluruh sistem disperse termasuk sediaan-sediaan farmasi yang berbentuk emulsi, suspensi dan sediaan setengah padat tidak mengikuti hukum Newton: Non Newtonian Bodies. 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 kelas ini. Jika bahan-bahan non newton dianalisis dalam suatu viskometer putar dan hasilnya diplot diperoleh berbagai kurva konsistensi yang menggambarkan adanya tiga kelas aliran yakni plastis, pseuodoplastis dan dilatan.

Ekstensional viskositas dari Non Newtonian Fluids

Berdasrkan grafik sifat aliran cairan  non newton terbagi atas dua kelompok yaitu:

1.      Cairan yang sifat alirannya tidak dipengaruhi oleh waktu.

a.       Aliran plastik

 

Disebut dengan bingham bodies. Kurva tidak melewati titik (0,0) tetapi memotong sumbu shearing stress pada yield value.  Yield value adalah harga yang harus dipenuhi agar cairan mulai mengalir, sebelum yield value zat bertindak sebagai bahan elastis setelah yield value sistem mengalir sesuai dengan sistem newton dimana shearing stress berbanding dengan rate of shear. Contoh : Pada sistem suspensi yang terflokulasi, yield value adalah nilai yang dibutuhkan untuk memecah ikatan antar partikel terflokulasi

b.      Aliran pseudoplastik

 

Kurva tidak linier dan tidak ada yield value (melengkung). Viskositas menurun dengan meningkatnya rate of share. Terjadi pada molekul berantai panjang seperti polimer-polimer termasuk gom, tragakan, na-alginat, metil selulosa, karboksimetilselulosa. Meningkatnya shearing stress menyebabkan keteraturan polimer sehingga mengurangi tahanan dan lebih meningkatkan rate of share pada shearing stress berikutnya.

Aliran pseudoplastis yang sebagian besar dalam produk farmasi yaitu gom alam dan sintesis, misalnya : dispersi cair dari traga ileh polimer-polimer dalam larutan, yang merupakan kebalikan dari sistem plastis, yang tersusun dari partikel-partikel yang terflokulasi dalam suspensi, kurva konsistensi untuk bahan pseudoplastis mulai pada titik (0,0) atau paling tidak mendekatinya rate of shear rendah. Akibatnya, berlawanan dengan Bingham Bodies, tidak ada yield value. Tapi karena tidak ada bagian kurva yang linier, maka kita tidak dapat menyatakan viskositas suatu bahan pseudoplastis dengan suatu harga tunggal.

Sistem pseudoplastik disebut pula sebagai sistem geser encer ( shear-thinning) karena dengan menaikkan tekanan geser viskositas menjadi turun. Contoh klasik adalah kecap atau saus tomat yang untuk mengeluarkannya dari botol harus mengocoknya kuat-kuat.

c.       Aliran dilatan

Sistem disebut geser kental (shear-thickening) system. Istilah dilatan dikaitkan dengan meningkatnya volume. Dimiliki oleh suspensi yang berkonsentrasi tinggi (>50%) dari partikel yang terdeflokulasi. Viskositas meningkat dengan bertambahnya rate of shear. Mekanisme:

·         Pada keadaan diam partikel-partikel tersusun rapat dengan volume antar partikel kecil.

·         Pada saat shearing stress meningkat bulk dari system memuaià meningkatkan volume kosongà hambatan aliran menigkat (tidak dibasahi)à terbentuk pasta kaku.

2.      Cairan yang sifat alirannya dipengeruhi oleh waktu

a.    Aliran tiksotropik

Pada sistem plastik, pseudoplastik, dan dilatan ketika shearing stress yang sebelumnya dinaikkan, diturunkan kembali maka kurva ke bawah akan terhimpit dengan kurva ke bawah. Bila kurva turun ternyata berada sebelah kiri kurva menaik àthiksotropi. Celah antara kurava naik dan kurva turun disebut ‘hysteresis loop’. Thiksotropi terjadi karena proses pemulihan yang lambat dari konsistensi. Gel à Sol à Gel (proses pertama berlangsung cepat sedangkan proses kedua berlangsung lebih lambat).

Sedangkan Anti tiksotropik, kurva menurun berada di kanan kurva menaik (konsistensi meningkat). Contohnya : magma magnesia.

b.    Aliran rheopeksi

Suatu gejala dimana suatu sol lebih cepat menjadi gel bila diaduk perlahan-lahan daripada dibiarkan membentuk gel tanpa pengadukan. Viskositas geser meningkat pada laju geser konstan dengan waktu geser meningkat. Rheopexy dapat misalnya terlihat dengan plastisols PVC. Mereka digunakan untuk perlindungan korosi pada logam. 

Jika laju pelapisan meningkat bahan menjadi lebih tebal mengalir. Cairan Rheopex ditandai dengan pembentukan struktur bertahap di bawah regangan geser. Selain sifat kental seseorang dapat mengamati terjadinya elastisitas (1 dan 2 normal stres perbedaan) bertindak tegak lurus dengan arah aliran. Kombinasi dari perilaku elastis dan viskos mengarah pada deskripsi cairan viskoelastik. Solusi polimer, dan baru-baru juga biopolimer menunjukkan molekul-struktur sifat viskoelastik tergantung dari jenis ini bertemu dengan semakin banyak teknologi yang diharapkan, misalnya dalam produksi cat dan coating, makanan, kosmetik, dan farmasi.

c. Aliran viskoelastis

3.      Temperatur

Dengan mengikuti persamaan Arrhenius

 

D.    Instrumen

a.       One point instrument

·         Oswald Viscometer

Desain yang paling umum dari viskometer gravitasi jenis adalah jenis tabung U dan paling dikenal sebagai viskometer Ostwald. Ini terdiri dari dua lampu reservoir dan tabung kapiler seperti ditunjukkan pada gambar ini.

Waktu efluks (t) dari volume tetap cair di bawah kepala hidrostatik persis direproduksi rata-rata diukur. Viskometer ini penuh dengan cairan sampai tingkat cairan mencapai A. Biasanya tanda pipet yang digunakan untuk secara akurat mengukur volume cairan ditambahkan ke viskometer tersebut. Viskometer tersebut kemudian ditempatkan di dalam mandi suhu konstan untuk menyeimbangkan suhu cairan uji dengan suhu mandi. Cairan ditarik melalui sisi 2 dari tabung U-menggunakan hisap dan kemudian aliran diberi batas waktu antara tanda C dan B. viskositas dihitung menggunakan Persamaan  v = K.t (K) konstan ditentukan dari pengukuran referensi cair seperti air. Alat ukur kekentalan jenis Ostwald dapat menyebabkan kesalahan yang signifikan dalam easurement jika viskometer tidak vertikal dalam keselarasan. Jika jarak antara kedua belah pihak (1 dan 2) dari viskometer adalah s, kemiringan θ dari posisi vertikal dapat memperkenalkan kesalahan relatif dalam kepala hidrostatik h.

 

Dari persamaan diatas bahwa jika s adalah 0.6h, 1° penyimpangan dari sumbu vertikal akan memperkenalkan kesalahan 1% di kepala. Sumber lain kesalahan dalam viskometer Ostwald adalah harus menggunakan volume yang tepat dari cairan untuk cairan referensi dan cairan uji. Persyaratan ini menjadi lebih bermasalah jika pengukuran dilakukan pada temperatur yang berbeda. Pengetahuan yang akurat dari kepadatan yang diperlukan untuk mengatur volume pada suhu uji yang berbeda.

·         Falling ball Viscometer

Mengamati besarnya hambatan yg dialami oleh bola yang jatuh ke dalam cairan. Seperti benda jatuh dalam fluida di bawah pengaruh gravitasi saja, itu akan mempercepat sampai gaya ke bawah (berat) hanya seimbang dengan gaya apung dan gaya tarik kental bertindak ke atas. Kecepatannya pada waktu itu disebut kecepatan terminal.

Gambar dibawah menunjukkan viskometer bola jatuh.

 
Gambar  disamping menunjukkan diagram benda bebas dari bola dalam viskometer <.span>jatuh-bola.Yang menunjukkan diagram benda bebas dari bola, dimana w adalah berat bola, Fb, adalah gaya apung, dan merupakan tarik kental gaya pada bola. Oleh karena itu, kita harus menggunakan persamaan

Jika γ_s adalah berat spesifik dari bola, γ_f adalah berat jenis dari fluida, V adalah volume bola, dan D adalah diameter bola, kita dapat menggunakan  persamaan

Untuk cairan yang sangat kental dan kecepatan kecil, gaya tarik pada bola adalah

Keuntungan viskometer ini:

·      Dapat digunakan utk membedakan bahan Newtonian dan Non-Newtonian.

·      Dapat digunakan untuk membedakan apakah zat tersebut time dependent atau time independent

·      Dapat mengukur viskositas bahan yang kental

b.      Multi point instrument

DAFTAR PUSTAKA

Barnes,H.A., J.F.Hutton dan K.Walters. 1989. An Introduction to Rheology. New York: Elsevier Science Publishing Company Inc.

Brizard, M., M.Megaharfi, C.Verdier, E.Mahé. 2005. Design of a High Precision Falling Ball Viscometer. Review of Scientific Instruments. 76, 2 (2005) 025109. DOI: 10.1063/1.1851471.

Cheng, D.C.H. 1992. The Calibration of Coaxial Cylinder Viscometer for Newtonian and Non Newtonian Viscosity Measurement. Theor. Appl. Rheol. Proc. Int. Congr. Rheol. 11^th. 2: 902-903.

Feng, S., A.L.Graham, P.T.Reardon, J.Abbot, dan L.Mondy. 2006. Improving Falling Ball Test for Viscosity Determination. Journal Fluids Eng. Vol.128, 1: 157-163.

James F, Steffe., Ph.D.,P.E. 1996. Rheological Methods in Food Proces Engineering Second Edition. USA: Freeman Press.

Retsina, T., Richardson, S.M. dan Wakeham, W.A. The theory of a vibrating-rod Viscometer. Applied Scientific Research. Vol.43, 4: 325-346. DOI:10.1007/BF00540567. :

Wilke, Jurgen. Prof.Dr. Theory and Praxis Viscometry. Germany: Schott Glass.