ما تأثير درجة الحرارة على لزوجة المحلول المائي HPMC؟

يعتبر هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز (HPMC) بوليمرًا مهمًا قابلاً للذوبان في الماء يستخدم على نطاق واسع في الأدوية والمواد الغذائية والطلاءات ومواد البناء وغيرها من المجالات. تعد لزوجة محلول HPMC عاملاً رئيسيًا يؤثر على أدائه وتطبيقه، كما أن درجة الحرارة لها تأثير كبير على لزوجة محلول HPMC المائي.

1. خصائص اللزوجة لمحلول HPMC
HPMC عبارة عن مادة بوليمر ذات خصائص ذوبان قابلة للعكس حرارياً. عندما يذوب HPMC في الماء، يُظهر المحلول المائي المتكون خصائص سائلة غير نيوتونية، أي أن لزوجة المحلول تتغير مع التغيرات في معدل القص. في درجة الحرارة العادية، تتصرف محاليل HPMC عادةً كسوائل بلاستيكية زائفة، أي أنها تتمتع بلزوجة أعلى بمعدلات قص منخفضة، وتنخفض اللزوجة مع زيادة معدل القص.

2. تأثير درجة الحرارة على لزوجة محلول HPMC
التغيرات في درجات الحرارة لها آليتان رئيسيتان للتأثير على لزوجة المحاليل المائية HPMC: زيادة الحركة الحرارية للسلاسل الجزيئية والتغيرات في تفاعلات المحلول.

(1) تزداد الحركة الحرارية للسلاسل الجزيئية
عندما تزيد درجة الحرارة، تزداد الحركة الحرارية للسلسلة الجزيئية HPMC، مما يؤدي إلى إضعاف الروابط الهيدروجينية وقوى فان دير فال بين الجزيئات وزيادة سيولة المحلول. تنخفض لزوجة المحلول بسبب انخفاض التشابك والترابط الفيزيائي بين السلاسل الجزيئية. ولذلك، تظهر المحاليل المائية HPMC لزوجة أقل عند درجات حرارة أعلى.

(2) التغييرات في تفاعل الحل
يمكن أن تؤثر التغيرات في درجات الحرارة على قابلية ذوبان جزيئات HPMC في الماء. HPMC عبارة عن بوليمر ذو خصائص التجيل الحراري، وتتغير قابلية ذوبانه في الماء بشكل كبير مع درجة الحرارة. في درجات الحرارة المنخفضة، تشكل المجموعات المحبة للماء الموجودة في السلسلة الجزيئية HPMC روابط هيدروجينية مستقرة مع جزيئات الماء، وبالتالي الحفاظ على قابلية ذوبان جيدة ولزوجة عالية. ومع ذلك، عندما ترتفع درجة الحرارة إلى مستوى معين، يتم تعزيز التفاعل الكاره للماء بين السلاسل الجزيئية HPMC، مما يؤدي إلى تكوين بنية شبكة ثلاثية الأبعاد أو هلام في المحلول، مما يتسبب في زيادة لزوجة المحلول فجأة في ظل ظروف معينة. وتسمى هذه الظاهرة وهي ظاهرة "الهلام الحراري".

3. المراقبة التجريبية لدرجة الحرارة على لزوجة محلول HPMC
أظهرت الدراسات التجريبية أنه ضمن نطاق درجات الحرارة التقليدية (على سبيل المثال، 20 درجة مئوية إلى 40 درجة مئوية)، تنخفض لزوجة المحاليل المائية HPMC تدريجيًا مع زيادة درجة الحرارة. وذلك لأن ارتفاع درجات الحرارة يزيد من الطاقة الحركية للسلاسل الجزيئية ويقلل التفاعلات بين الجزيئات، وبالتالي يقلل الاحتكاك الداخلي للمحلول. ومع ذلك، عندما تستمر درجة الحرارة في الارتفاع إلى نقطة الهلام الحراري لـ HPMC (عادة ما بين 60 درجة مئوية و90 درجة مئوية، اعتمادًا على درجة الاستبدال والوزن الجزيئي لـ HPMC)، تزداد لزوجة المحلول فجأة. يرتبط حدوث هذه الظاهرة بالتشابك المتبادل وتجميع السلاسل الجزيئية HPMC.

4. العلاقة بين درجة الحرارة والمعلمات الهيكلية HPMC
لا تتأثر لزوجة محلول HPMC بدرجة الحرارة فحسب، بل ترتبط أيضًا ارتباطًا وثيقًا ببنيتها الجزيئية. على سبيل المثال، فإن درجة الاستبدال (أي محتوى بدائل الهيدروكسي بروبيل والميثيل) والوزن الجزيئي لـ HPMC لها تأثير كبير على سلوكها الهلامي الحراري. يحافظ HPMC مع درجة عالية من الاستبدال على لزوجة أقل في نطاق درجة حرارة أوسع بسبب مجموعاته الأكثر محبة للماء، في حين أن HPMC مع درجة منخفضة من الاستبدال من المرجح أن تشكل المواد الهلامية الحرارية. وبالإضافة إلى ذلك، من المرجح أن تزيد حلول HPMC ذات الوزن الجزيئي العالي من اللزوجة عند درجات الحرارة المرتفعة.

5. اعتبارات التطبيق الصناعي والعملي
في التطبيقات العملية، يجب اختيار أصناف HPMC المناسبة وفقًا لظروف درجة الحرارة المحددة. على سبيل المثال، في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، يجب تحديد HPMC ذو المقاومة العالية لدرجة الحرارة لتجنب التبلور الحراري. في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة، يجب مراعاة قابلية الذوبان واستقرار اللزوجة لـ HPMC.

إن تأثير درجة الحرارة على لزوجة المحلول المائي HPMC له أهمية عملية مهمة. في مجال المستحضرات الصيدلانية، غالبًا ما يستخدم HPMC كمادة إطلاق مستدام للمستحضرات الصيدلانية، وتؤثر خصائص اللزوجة بشكل مباشر على معدل إطلاق الدواء. في صناعة المواد الغذائية، يتم استخدام HPMC لتحسين نسيج واستقرار المنتجات، ويجب تعديل اعتماد درجة حرارة لزوجة المحلول وفقًا لدرجة حرارة المعالجة. في مواد البناء، يتم استخدام HPMC كمكثف وعامل للاحتفاظ بالمياه، وتؤثر خصائص اللزوجة على أداء البناء وقوة المواد.

يعد تأثير درجة الحرارة على لزوجة المحلول المائي HPMC عملية معقدة تتضمن الحركة الحرارية للسلسلة الجزيئية وتفاعل المحلول والخصائص الهيكلية للبوليمر. بشكل عام، تنخفض لزوجة المحاليل المائية HPMC بشكل عام مع زيادة درجة الحرارة، ولكن في نطاقات معينة من درجات الحرارة، قد يحدث تجلّم حراري. إن فهم هذه الخاصية له أهمية توجيهية مهمة للتطبيق العملي وتحسين عملية HPMC.