TEORI DASAR

Berhasil tidaknya penentuan dan evaluasi sifat-sifat rheologis dari suatu sistem tertentu bergantung pada pemilihan alat ukur viskositas (viskosimeter stormer dan viskometer brookfield). Semua viskosimeter dapat digunakan untuk menentukan viskositas cairan Newton dan hanya viskosimeter yang bekerja pada berbagai rate of shear yang dapat digunakan untuk cairan non-Newton.

Viskositas adalah suatu pernyataan tentang tahanan dari suatu cairan untuk mengalir; semakin tinggi viskositas, semakin besar tahanan tersebut. Makin kental suatu cairan, makin besar gaya yang dibutuhkan untuk membuatnya mengalir pada kecepatan tertentu. Bila viskositas gas meningkat dengan naiknya temperatur, maka viskositas cairan justru akan menurun jika temperatur dinaikan. Fluiditas dari suatu cairan yang merupakan kebalikan dari viskositas akan meningkat dengan makin tingginya temperatur.

Istilah reologi, berasal dari bahasa Yunani rheo (mengalir) dan logos (ilmu), diusulkan oleh Bingham dan Crawford untuk menggambarkan aliran-aliran cairan dan deformasi dari padatan. Rheologi sangat penting dalam farmasi karena penerapannya dalam formulasi dan analisis dari produk-produk farmasi seperti: emulsi, pasta, suppositoria, dan penyalutan tablet yang menyangkut stabilitas, keseragaman dosis, dan keajekan hasil produksi. Misalnya, pabrik pembuat krim kosmetik, pasta, dan lotion harus mampu mneghasilkan suatu produk yang mempunyai konsistensi dan kelembutan yang dapat diterima oleh konsumen.

Dalam menggolongkan bahan menurut tipe aliran dan deformasi, bahan-bahan lazimnya dimasukkan dalam salah satu dari dua kategori: Sistem Newton atau Sistem non-Newton. Pilihan bergantung pada apakah sifat-sifat aliran bahan sesuai dengan hukum aliran Newton atau tidak.

Pada cairan Newton, hubungan antara rate of shear dan shearing stress adalah linear, dengan suatu tetapan yang dikenal dengan viskositas atau koefisien viskositas. Tipe alir ini umumnya dimiliki oleh zat cair tunggal serta larutan dengan struktur molekul sederhana dengan volume molekul kecil.

Sedangkan pada cairan non-Newton, shearing rate dan shearing stress tidak memiliki hubungan linear, viskositasnya berubah-ubah tergantung dari besarnya tekanan yang diberikan. Tipe aliran non-Newton terjadi pada dispersi heterogen antara cairan dengan padatan seperti pada koloid, emulsi, dan suspensi cair, dan salep.

Hukum Aliran Newton

Aliran tipe Newton adalah tipe aliran yang mengikuti hukum Newton dan viskositas bersifat konstan. Suatu gambaran kurva aliran, atau reogram, yang diperoleh dengan memplot F versus G untuk sistem Newton diperoleh garis lurus yang melalui titik asal (0,0). Besarnya Rate of shear sebanding dengan Shearing stress.

Viskositas mula-mula diselidiki oleh Newton, yaitu dengan mensimulasikan zat cair dalam bentuk tumpukan kartu seperti pada gambar berikut :

Zat cair diasumsikan terdiri dari lapisan-lapisan molekul yang sejajar satu sama lain. Lapisan terbawah tetap diam, sedangkan lapisan di atasnya bergerak dengan kecepatan konstan, sehingga setiap lapisan akan bergerak dengan kecepatan yang berbanding langsung dengan jaraknya terhadap lapisan terbawah yang tetap. Perbedaan kecepatan dv antara dua lapisan yang dipisahkan dengan jarak dr adalah dv/dr (G) atau kecepatan geser (rate of share). Sedangkan gaya satuan luas yang dibutuhkan untuk mengalirkanzat cair tersebut adalah F’/A (F) atau tekanan geser (shearing stress).

Keterangan:

η = Viskositas

F = F’/A

G = dv/dr

Satuan viskositas adalah poise atau centipoise; satuan cgs untuk poise adalah dyne detik cm−2 atau g cm−1 detik−1

η = FG

Kurva aliran tipe Newton

Viskositas suatu zat dipengaruhi oleh suhu. Viskositas gas meningkat dengan bertambah tingginya suhu, sedangkan viskositas zat cair menurun denganmeningginya suhu. Hubungan antara viskositas dengan suhu tampak pada persamaan Arrhenius :

 A         : konstanta yang tergantung pada berat molekul dan volume molar zat cair

Ev        : energi aktivasi

R         : konstanta gas

T          : suhu mutlak

Sistem Non-Newton

Aliran tipe non-Newton adalah zat-zat yang tidak mengikuti persamaan aliran Newton. Jika bahan-bahan non-Newton dianalisis dalam suatu viskometer rotasi dan hasilnya diplot, ditemukan berbagai kurva konsistensi yang menggambarkan tiga kelas aliran, yakni: plastis, pseudoplastis, dan dilatan

1.Aliran Plastis

Kurva aliran plastis tidak melalui titik (0,0) tapi memotong sumbu shearing stress (atau auakan memotong jika bagian lurus dari kurva tersebut diekstrapolasikan ke sumbu) pada suatu titik tertentu yang dikenal dengan sebagai harga yield. Cairan plastis tidak akan mengalir sampai shearing stress dicapai sebesar yield value tersebut. Pada harga stress di bawah harga yield value, zat bertindak sebagi bahan elastis (meregang lalu kembali ke keadaan semula, tidak mengalir).

U = ( F – f )G

U adalah viskositas plastis, dan f adalah yield value.

Aliran plastis berhubungan dengan adanya partikel-partikel yang tersuspensi dalam suspensi pekat. Adanya yield value disebabkan oleh adanya kontak antara partikel-partikel yang berdekatan (disebabkan oleh adanya gaya van der Waals), yang harus dipecah sebelum aliran dapat terjadi. Akibatnya, yield value merupakan indikasi dari kekuatan flokulasi. Makin banyak suspensi yang terflokulasi, makin tinggi yield value-nya. Kekuatan friksi antar partikel juga berkontribusi dalam yield value. Ketika yield value terlampaui (shear stress di atas yield value), sistem plastis akan menyerupai sistem newton. 

2. Aliran Pseudoplastis

Aliran pseudoplastis ditunjukkan oleh beberapa bahan farmasi yaitu gom alam dan sisntesis seperti dispersi cair dari tragacanth, natrium alginat, metil selulosa, dan natrium karboksimetil selulosa. Aliran pseudoplastis diperlihatkan oleh polimer-polimer dalam larutan, hal ini berkebalikan dengan sistem plastis, yang tersusun dari partikel-partikel tersuspensi dalam emulsi. Kurva untuk aliran pseudoplastis dimulai dari (0,0) , tidak ada yield value, dan bukan suatu harga tunggal.

Viskositas aliran pseudoplastis berkurang dengan meningkatnya rate of shear. Rheogram lengkung untuk bahan-bahan pseudoplastis ini disebabkan adanya aksi shearing terhadap molekul-molekul polimer (atau suatu bahan berantai panjang). Dengan meningkatnya shearing stress, molekul-molekul yang secara normal tidak beraturan, mulai menyusun sumbu yang panjang dalam arah aliran. Pengarahan ini mengurangi tahanan dari dalam bahan tersebut dan mengakibatkan rate of shear yang lebih besar pada tiap shearing stress berikutnya.

FN = η’ G

Eksponen N meningkat pada saat aliran meningkat hingga seperti aliran newton. Jika N=1 aliran tersebut sama dengan aliran newton.

 

3. Aliran Dilatan

Aliran dilatan terjadi pada suspensi yang memiliki presentase zat padat terdispersi dengan konsentrasi tinggi. Terjadi peningkatan daya hambat untuk mengalir (viskositas) dengan meningkatnya rate of shear. Jika stress dihilangkan, suatu sistem dilatan akan kembali ke keadaan fluiditas aslinya.

Pada keadaaan istirahat, partikel-partikel tersebuat tersususn rapat dengan volume antar partikel pada keadaan minimum. Tetapi jumlah pembawa dalam suspensi ini cukup untuk mengisi volume ini dan membentuk ikatan lalu memudahkan partikel-partikel bergerak dari suatu tempat ke tempat lainnya pada rate of shear yang rendah. Pada saat shear stress meningkat, bulk dari system itu mengembang atau memuai (dilate). Hal itu menyebabkan volume antar partikel menjadi meningkat dan jumlah pembawa yang ada tidak cukup memenuhi ruang kosong tersebut. Oleh karena itu hambatan aliran meningkat karena partikel-partikel tersebut tidak dibasahi atau dilumasi dengan sempurna lagi oleh pembawa. Akhirnya suspense menjadi pasta yang kaku.

Tiksotropi

Tiksotropik bisa didefinisikan sebagai suatu pemulihan yang isoterm dan lambat pada pendiaman suatu bahan yang kehilangan konsistensinya karena sharing. Ini menunjukkan struktur yang tidak berbentuk kembali dengan segera jika strees tersebut dihilangkan atau dikurangi.

Tiksotropi adalah suatu sifat yang diinginkan dalam suatu farmasetis cair yang idealnya harus mempunyai konsistensi tinggi dalam wadah, namun dapat dituang dan tersebar mudah. Sebagai contoh, suspensi tiksotropi yang diformulasi dengan baik tidak akan mengendap dengan segera dalam wadahnya, akan menjadi cair bila dikocok, dan akan tinggal cukup lama selama ia digunakan. Akhirnya, suspensi tersebut akan memeperoleh kembali konsistensinya dengan cepat sehingga partikel-partikel tetap berda dalam keadaan tersuspensi. Dilihat dari kestabilan suspensi ada hubungan antara derajat tiksotropi dengan laju sedimentasi. Makin tinggi tiksotropi akan makin rendah laju pengendapannya.

Anti-Tiksotropi

Anti-tiksotropi yang menyatakan kenaikan bukan pengurangan konsistensi.pada kurva menurun. Kenaikan dalam hal kekentalan atau hambatan mengalir dengan bertambahnya waktu share. Anti-tiksotropi disebabkan oleh meningkatnya frekwensi tumbukan dari partikel-partikel terdispersi, atau molekul-molekul polimer dalam suspensi. Hal ini akan meningkatkan ikatan antar partikel dengan bertambahnya waktu. Ini mengubah keadaan asli yang terdiri dari sejumlah besar partikel sendiri-sendiri dan gumpalan-gumpalan kecil menjadi suatu keadaan keseimbangan yang terdiri dari sejumlah kecil gumpalan-gumpalan yang relatif besar. Dalam keadaan diam, gumpalan-gumpalan kecil dan partikel-partikel tersendiri.

Rheopeksi

Rheopeksi adalah suatu gejala dimana suatu sol membentuk suatu gel lebih cepat jika diaduk perlahan-lahan atau kalau di share daripada jika dibiarkan membentuk gel tersebut tanpa pengadukan. Dalam suatu titik reopektis, gel tersebut merupakan bentuk keseimbangan sedangkan dalam anti-tiksotropi keadaan keseimbangan adalah sol.

 

Cara menentukan viskositas suatu zat menggunakan alat yang dinamakan viskometer. Ada beberapa tipe viskometer yang biasa digunakan antara lain :

 a. Viskometer kapiler / Ostwald Viskositas dari cairan newton bisa ditentukan dengan mengukur waktu yang dibutuhkan bagi cairan tersebut untuk lewat antara 2 tanda ketika ia mengalir karena gravitasi melalui viskometer Ostwald. Waktu alir dari cairan yang diuji dibandingkan dengan waktu yang dibutuhkan bagi suatu zat yang viskositasnya sudah diketahui ( biasanya air ) untuk lewat 2 tanda tersebut.(Martin, 1993) 

b. Viskometer Hoppler Berdasrkan hukum Stokes pada kecepatan bola maksimum, terjadi keseimbangan sehingga gaya gesek = gaya berat – gaya archimides. Prinsip kerjanya adalah menggelindingkan bola ( yang terbuat dari kaca ) melalui tabung gelas yang hampir tikal berisi zat cair yang diselidiki. Kecepatan jatuhnya bola merupakan fungsi dari harga resiprok sampel. ( Martin, 1993)

c. Viskometer Cup dan Bob Prinsip kerjanya sample digeser dalam ruangan antara dinding luar dari bob dan dinding dalam dari cup dimana bob masuk persis ditengah-tengah. Kelemahan viscometer ini adalah terjadinya aliran sumbat yang disebabkan geseran yang tinggi disepanjang keliling bagian tube sehingga menyebabkan penueunan konsentrasi. Penurunan konsentrasi ini menyebabkab bagian tengah zat yang ditekan keluar memadat. Hal ini disebt aliran sumbat. ( Martin, 1993)

d. Viskometer Cone dan Plate Cara pemakaiannya adalah sampel ditempatkan ditengah-tengah papan, kemudian dinaikkan hingga posisi dibawah kerucut. Kerucut digerakkan oleh motor dengan bermacam kecapatan dan sampelnya digeser didalam ruang semit antara papan yang diam dan kemudian kerucut yang berputar. ( martin, 1993 )

Viskometer Brookfield

Dalam kesempatan ini akan kita pelajari dasar-dasar pengukuran viskositas dengan methode Rotational. Pada methode ini sebuah spindle dicelupkan ke dalam cairan yang akan diukur viskositasnya. Gaya gesek antara permukaan spindle dengan cairan akan menentukan tingkat viskositas cairan.

Seperti tampak pada gambar di atas, sebuah spindle dimasukkan ke dalam cairan dan diputar dengan kecepatan tertentu. Bentuk dari spindle dan kecepatan putarnya inilah yang menentukan Shear Rate, yang telah dijelaskan pada artikel sebelumnya.

Kita ketahui sebelumnya bahwa untuk cairan-cairan yang tergolong dalam kategori Non Newton hasil pembacaan Viskositas dipengaruhi oleh Shear Rate, dalam hal ini dinyatakan oleh bentuk geometri spindle serta kecepatan putarnya. Oleh karena itu data yang didapat pada pengukuran viskositas menggunakan viskometer brookfield adalah:

Nomor Spindle Semakin kecil nomor spindel semakin besar bentuk fisiknya. Spindel no.1 untuk cairan dengan viskositas rendah (encer), no. spindel yang lebih besar untuk cairan yang lebih tinggi viskositasnya (lebih kental). No spindel yang digunakan 1-4.

RPM Rotasi permenit yang menunjukkan jumlah putaran yang dihasilkan setiap satu menit. Setiap percobaan dimulai dari RPM terendah: 0.3; 0.6; 01.2; 3; 6; 12; 30; dan 60. Diukur pada batas RPM yang tepat dengan tiga kali dinaikkan dan dua kali diturunkan

Skala Hasil pengukuran pada setiap RPM akan menghasilkan skala yang berbeda (0-100). Semakin tinggi RPM akan menghasilkan skala yang tinggi pula.

Faktor Suatu nilai yang digunakan untuk menghitung viskositas (). Faktor yang tercantum pada alat, bukan hasil pengukuran. Besarnya berbeda untuk setiap RPM dan no. spindel.

RPM Semakin tinggi RPM, nilai faktor semakin kecil, sedangkan semakin besar no. spindel, nilai faktor semakin besar. (Lihat pada alat).

Catatan: Syarat skala berada pada 10-100. Jika kurang dari 10 RPM harus dinaikkan dan jika lebih dari 100 no spindel yang dinaikkan.

Perhitungan: η = skalaxfaktor dan F = skalaxKV(673,7)

Kurva aliran: RPM pada sumbu y dan F (gaya) pada sumbu x

Viskometer Stormer

Data yang didapat pada pengukuran viskositas menggunakan viskometer stormer adalah:

Berat (W) dimulai dari beban yang terkecil Waktu Putaran

Catatan: syarat waktu yang dibutuhkan diantara 30-60s. Jika kurang dari 30s putaran harus dinaikkan. Jika waktu yang dibutuhkan lebih dari 60s beban harus dinaikkan.

Perhitungan: η = KVXRPMw ; RPM = 60 xjumlah putara

waktu (KV dihitung)

Kurva aliran: W pada sumbu y dan F (gaya) pada sumbu x