凝胶强度测试中峰值力值和平衡力值的定义、计算、标准地位与适用场景

引言：同一个测试，两个不同的“力值"

在凝胶强度测试中，探头以恒定速度刺入凝胶，力值传感器实时记录下整个过程的力学响应。如果只看力-位移曲线，操作者会发现曲线上有两个截然不同的“力值点"：一个是曲线上升过程中出现的最高点——峰值力值；另一个是在探头停止下行后，力值随时间衰减最终趋于稳定的残余力值——平衡力值。

2025年版《中国药典》四部通则0634《凝胶强度测定法》明确定义：凝胶强度系用探头垂直作用于供试品的力表示，即在特定的测定温度下，将特定面积的探头以一定速率下降至供试品表面下某一固定距离时所需的力。对于药用明胶，这一力值被进一步量化为：直径12.7mm的圆柱探头以0.5mm/s速度穿透6.67%明胶溶液凝胶表面4mm时的最大作用力值，单位以Bloom g计。这里的“最大作用力值"，就是峰值力值。

然而，凝胶作为一种典型的黏弹性材料，其力学行为远不止一个峰值所能概括。当探头到达4mm深度后停止运动并保持位置不变，凝胶内部的应力并不会维持在峰值水平——分子链会通过重排、滑移等方式逐渐释放应力，力值随时间衰减。最终趋于稳定的残余力值，就是平衡力值。

峰值力值回答的是“凝胶在多大的力下会被破坏"，平衡力值回答的是“凝胶在持续形变下能维持多大的应力"。 两者从不同的力学维度刻画了凝胶的性能，理解其区别与联系，是全面评价凝胶力学品质的关键。本文将从定义、计算、标准地位、工程意义和应用场景五个维度，对两者进行系统对比。

一、峰值力值：凝胶强度的法定核心指标

1.1 物理定义

峰值力值（Peak Force, F₀） 是指凝胶在匀速穿刺过程中，探头所承受的最大力值。在力-位移曲线上，峰值力对应于曲线的最高点——力值从上升转为下降的那个转折点。

通则0634对药用明胶凝冻强度的定义，明确以“最大作用力值"作为凝胶强度的测量值。在Bloom测试中，以Bloom克为单位的峰值力即为样品的凝胶强度。

1.2 物理意义

峰值力值反映的是凝胶三维网络结构在受到穿透性破坏时所能承受的极限阻力。探头穿刺凝胶的过程，是破坏明胶分子链交联形成的三维网络结构所需克服的力学阻力。峰值力的大小直接反映了凝胶网络的致密程度和分子间作用力的强弱。

1.3 标准地位

峰值力值是现行凝胶强度标准体系中的核心法定指标。通则0634明确规定，凝胶强度测定以探头穿刺至规定深度时的最大力值作为测量结果。GB 6783-2013同样采用Bloom法，以探头下压4.0mm时的最大力值作为凝胶强度。ISO 9665、AOAC 948.21等国际标准也均以峰值力作为凝胶强度的定义基础。

二、平衡力值：黏弹性行为的量化表达

2.1 物理定义

平衡力值（Equilibrium Force, F∞） 是指在探头到达预设穿刺深度后保持位置不变，力值随时间衰减最终趋于稳定时的残余力值。

在应力松弛测试中，平衡力值的获取方式为：探头以恒定速度穿刺凝胶至规定深度（如4mm）后停止运动，保持探头位置不变，持续记录力值随时间的变化，直至力值衰减趋于稳定。这一稳定的残余力值即为平衡力值。

2.2 物理意义

平衡力值反映的是凝胶在持续形变条件下维持应力的能力。凝胶是黏弹性材料，其内部包含弹性成分（由分子链交联网络贡献）和黏性成分（由分子链间滑移和溶剂流动贡献）。当探头停止运动后，黏性成分通过分子链重排和溶剂排出逐渐耗散能量，力值随时间衰减；弹性成分则维持一定的残余应力。平衡力值越大，说明凝胶中弹性成分的贡献越显著，应力松弛程度越低。

2.3 应力松弛率：从峰值到平衡的“衰减度量"

峰值力值与平衡力值之间的关系，可以用应力松弛率来量化。应力松弛率定义为：初始力值（峰值力）减去平衡力值后，再除以初始力值的百分比。应力松弛率越小，说明凝胶在持续形变下维持应力的能力越强，弹性特征越突出。

在应力松弛测试中，通常还需要关注松弛半衰期——力值衰减至初始值一半所需的时间，这一参数反映了凝胶分子链重排的速度。

三、峰值力值与平衡力值的系统对比

四、力-时间曲线上的完整解读

4.1 典型的“峰值-衰减-平衡"曲线

在凝胶强度测试的完整力-时间曲线上，可以清晰地观察到三个阶段：

第一阶段：弹性加载与峰值——探头以恒定速度刺入凝胶，力值随位移近似线性上升（弹性变形阶段），随后进入非线性变形阶段，最终达到峰值力值。这一峰值代表了凝胶网络结构发生不可逆破坏的临界点。峰值越尖锐，表明凝胶的脆性断裂特征越明显；峰值越圆钝，表明凝胶在接近最大阻力时仍保持一定的形变能力。

第二阶段：应力松弛——探头到达4mm深度后停止运动，力值开始随时间衰减。衰减的速度和幅度取决于凝胶的黏弹性特征。衰减曲线越陡峭，说明凝胶中黏性成分的耗散作用越强；衰减曲线越平缓，说明弹性成分的贡献越显著。

第三阶段：平衡——力值衰减趋于稳定，达到平衡力值。此时，凝胶内部的应力状态基本稳定，黏性成分的耗散与弹性成分的维持达到了动态平衡。

4.2 两个指标的“一致"与“分离"

对于大多数常规明胶凝胶而言，峰值力值与平衡力值之间存在正相关关系——凝胶网络越致密，峰值力越高，平衡力通常也越高。

然而，两个指标可能呈现“分离"现象。两个峰值力相同的凝胶样品，其平衡力值可能差异显著：一个峰值力为200 Bloom g的样品，如果在应力松弛过程中力值迅速衰减，平衡力值可能仅为80 Bloom g（应力松弛率60%）；而另一个同样为200 Bloom g的样品，如果应力松弛缓慢，平衡力值可能达到140 Bloom g（应力松弛率30%）。峰值力相同，但它们在长期承载条件下的行为截然不同。

五、工程应用中的选择逻辑

5.1 峰值力值的核心应用场景

出厂检验与批次放行——峰值力值是GB 6783-2013、药典0634等标准规定的法定判定依据，出厂检验必须以此为核心指标。

来料检验与供应商评价——快速评估明胶原料的Bloom值是否满足进厂要求。

配方筛选——通过对比不同配方的峰值力数据，快速筛选候选配方。

5.2 平衡力值的价值

软胶囊长期储存的尺寸稳定性预测——软胶囊在货架期内承受着堆码和包装的持续压力。平衡力值越高的囊壳，在长期受压下维持形状的能力越强，发生蠕变变形的倾向越低。弹性回复率的本质是应力松弛行为的宏观体现——CP 0123要求弹性回复率≥80%，其力学基础正是囊壳在卸力后能够快速恢复原状，这与应力松弛率之间存在直接的定量关联。

凝胶贴剂与医用敷料的贴合持久性——对于长时间贴附在皮肤上的凝胶贴剂，应力松弛快的凝胶能够快速适应皮肤表面的不规则形状，提供更好的初始贴合性；应力松弛慢的凝胶则能提供更持久的支撑力，适合需要长期维持形态的应用。

凝胶配方中增塑剂效果的评估——增塑剂的添加会改变凝胶网络的交联密度和分子链活动性，从而影响应力松弛行为。通过测量峰值力与平衡力值的变化，可以量化增塑剂对凝胶黏弹性的影响。

5.3 双参数联动的“二维评价"

将峰值力值与平衡力值结合分析，可以对凝胶的力学性能进行二维精准画像：

• 峰值力高、平衡力高（应力松弛率低）——凝胶“强而弹"，网络致密且弹性恢复能力强，适合需要长期承载的应用

• 峰值力高、平衡力低（应力松弛率高）——凝胶“强而黏"，网络致密但黏性耗散强，适合需要吸收冲击能量的应用

• 峰值力低、平衡力高（应力松弛率低）——凝胶“软而弹"，网络疏松但弹性特征突出，适合需要柔顺贴合的医用敷料

• 峰值力低、平衡力低（应力松弛率高）——凝胶“软而流"，网络疏松且黏性主导，适合需要快速铺展的涂布应用

六、GST系列：峰值力与平衡力值的同步获取方案

济南西奥机电有限公司推出的GST系列凝胶强度测试仪，严格遵循2025年版《中国药典》四部通则0634《凝胶强度测定法》及GB 6783-2013等标准要求设计，在保证峰值力值精准测量的同时，为平衡力值和应力松弛行为的分析提供完整的测试能力。

峰值力自动识别——仪器内置智能算法，自动识别力-位移曲线上的峰值点，锁定Bloom值并立即停止加载。高精度力值传感器（分辨率0.01N，示值误差≤±0.5% F.S. ）确保峰值力测量的准确性。

应力松弛测试模式——仪器支持在到达预设穿刺深度后保持探头位置不变，持续记录力值随时间衰减的完整曲线。7英寸HMI触摸屏实时显示力-时间曲线，自动计算平衡力值和应力松弛率。

力-位移曲线完整记录——原始曲线数据可导出，为凝胶黏弹性行为的深度分析提供数据基础。

数据完整性与合规——仪器内置用户分级权限管理与数据溯源追踪功能，测试报告可包含样品信息、测试条件、峰值力值、平衡力值、应力松弛率、原始力-时间曲线等完整内容，满足GMP及药典对数据完整性的合规要求。

七、结语：读懂“两个力值"，才能读懂凝胶的完整力学性格

在凝胶强度测试中，峰值力值与平衡力值并非相互替代的关系，而是互补的关系。峰值力值回答了“凝胶在多大的力下会被破坏"——这是出厂检验和标准合规的核心指标，是凝胶强度的法定表达。平衡力值回答了“凝胶在持续形变下能维持多大的应力"——这是凝胶黏弹性和长期力学稳定性的量化表达，是运输适应性评价和长期储存稳定性预测的重要参考。

从GB 6783-2013的标准化Bloom值测定，到力-时间曲线上的应力松弛分析——从“测一个峰值"到“测一条完整的松弛曲线"，凝胶强度评价的维度正在从单一的“强度"向“强度+黏弹性"的双维评价拓展。当每一批凝胶的检测报告不仅包含峰值力值，还包含平衡力值和应力松弛率数据时，凝胶的“力学性格"才算被真正读懂——它是“强而弹"还是“强而黏"，都有了数据层面的清晰答案。