Charakteristiky viskozity hydroxypropylmethylcelulózy (HPMC) Vodný roztok

Hydroxypropylmethylcelulóza (HPMC)je široce používaný polymer rozpustný ve vodě s různými aplikacemi, zejména ve farmaceutických, potravinách a kosmetických výrobcích. Jeho schopnost vytvářet silná, gelová roztoky, když je smíchána s vodou, z něj dělá všestrannou složku. Viskozita řešení Kimacell®HPMC hraje klíčovou roli při určování jejich výkonu v různých formulacích. Porozumění charakteristikám viskozity vodných roztoků HPMC je nezbytné pro optimalizaci jejich využití v různých průmyslových odvětvích.

1. Úvod do hydroxypropylmethylcelulózy (HPMC)

Hydroxypropylmethylcelulóza je polosyntetický derivát celulózy. Vyrábí se nahrazením celulózy hydroxypropylovými skupinami a methylovými skupinami. Poměr těchto substitucí se může lišit, což vede k různým stupněm HPMC s odlišnými charakteristikami, včetně viskozity. Typická struktura HPMC se skládá z celulózové páteře s hydroxypropyl a methylovými skupinami připojenými k glukózovým jednotkám.

HPMC se používá v různých průmyslových odvětvích kvůli jeho biokompatibilitě, schopnosti vytvářet gely a snadnost rozpustnosti ve vodě. Ve vodných roztocích se HPMC chová jako neionický, vodní rozpustný polymer, který významně ovlivňuje reologické vlastnosti roztoku, zejména viskozitu.

2. Charakteristiky viskozity řešení HPMC

Viskozita roztoků HPMC je ovlivněna několika faktory, včetně koncentrace HPMC, molekulové hmotnosti polymeru, teploty a přítomnosti solí nebo jiných solutů. Níže jsou uvedeny primární faktory, které řídí charakteristiky viskozity HPMC ve vodných roztocích:

Koncentrace HPMC: Viskozita se zvyšuje se zvyšováním koncentrace HPMC. Při vyšších koncentracích molekuly HPMC vzájemněji interagují významněji, což vede k vyšší rezistenci k toku.

Molekulová hmotnost HPMC: Viskozita roztoků HPMC je silně korelována s molekulovou hmotností polymeru. HPMC stupně s vyšší molekulovou hmotností mají tendenci produkovat více viskózních roztoků. Je to proto, že větší molekuly polymeru vytvářejí významnější odolnost vůči toku díky jejich zvýšenému zapletení a tření.

Teplota: Viskozita se s rostoucí teplotou obvykle snižuje. Je to proto, že vyšší teploty vedou ke snížení mezimolekulárních sil mezi molekulami HPMC, čímž se snižuje jejich schopnost odolávat toku.

Smyková rychlost: Viskozita roztoků HPMC je závislá na smykové rychlosti, zejména u nenewtonovských tekutin, což je typické pro roztoky polymeru. Při nízkých smykových rychlostech vykazují roztoky HPMC vysokou viskozitu, zatímco při vysokých smykových rychlostech klesá viskozita v důsledku chování smykového ztenčení.

Vliv iontové síly: Přítomnost elektrolytů (jako jsou soli) v roztoku mohou změnit viskozitu. Některé soli mohou promítat odpudivé síly mezi polymerními řetězci, což způsobuje, že se agregují a vedou ke snížení viskozity.

3. Viskozita vs. koncentrace: experimentální pozorování

Obecný trend pozorovaný v experimentech je, že viskozita vodných roztoků HPMC se zvyšuje exponenciálně se zvyšující se koncentrací polymeru. Vztah mezi viskozitou a koncentrací lze popsat následující empirickou rovnicí, která se často používá pro koncentrované roztoky polymeru:

η = acn \ eta = ac^nη = acn

Kde:

η \ etaη je viskozita

CCC je koncentrace HPMC

AAA a NNN jsou empirické konstanty, které závisí na specifickém typu HPMC a podmínkách roztoku.

Pro nižší koncentrace je vztah lineární, ale jak se koncentrace zvyšuje, viskozita prudce stoupá, což odráží zvýšenou interakci mezi polymerními řetězci.

4. Viskozita vs. molekulová hmotnost

Molekulová hmotnost Kimacell®HPMC hraje klíčovou roli v jeho charakteristikách viskozity. Polymery s vyšší molekulovou hmotností HPMC mají tendenci vytvářet více viskózních roztoků při nižších koncentracích ve srovnání s nižšími stupni molekulové hmotnosti. Viskozita roztoků vyrobených z HPMC s vysokou molekulovou hmotností může být až o několik řádů vyšší než u roztoků vyrobených z HPMC s nižší molekulární hmotností.

Například roztok HPMC s molekulovou hmotností 100 000 DA bude vykazovat vyšší viskozitu než s molekulovou hmotností 50 000 DA při stejné koncentraci.

5. Teplotní účinek na viskozitu

Teplota má významný vliv na viskozitu roztoků HPMC. Zvýšení teploty vede ke snížení viskozity roztoku. To je primárně způsobeno tepelným pohybem polymerních řetězců, který způsobuje, že se pohybují volněji a snižují jejich odolnost vůči toku. Vliv teploty na viskozitu je často kvantifikován pomocí rovnice typu Arrhenius:

η (t) = η0eart \ eta (t) = \ eta_0 e^{\ frac {e_a} {rt}} η (t) = η0 ertea

Kde:

η (t) \ eta (t) η (t) je viskozita při teplotě ttt

η0 \ eta_0η0 je před exponenciálním faktorem (viskozita při nekonečné teplotě)

Eae_aea je aktivační energie

RRR je plynová konstanta

TTT je absolutní teplota

6. Reologické chování

Rheologie vodných roztoků HPMC je často popisována jako nenewtoniánská, což znamená, že viskozita roztoku není konstantní, ale mění se s aplikovanou smykovou rychlostí. Při nízkých smykových rychlostech vykazují roztoky HPMC relativně vysokou viskozitu v důsledku zapletení polymerních řetězců. Jak se však zvyšuje smyková rychlost, viskozita se snižuje - jev známý jako smykové ztenčení.

Toto chování s střihováním je typické pro mnoho roztoků polymeru, včetně HPMC. Závislost na smykové rychlosti viskozity lze popsat pomocí modelu Power-Law:

η (γ˙) = Ky˙n-1 \ eta (\ dot {\ gamma}) = k \ dot {\ gamma}^{n-1} η (y˙) = Ky˙ n-1

Kde:

γ˙ \ dot {\ gama} γ˙ je smyková rychlost

KKK je index konzistence

NNN je index chování toku (s n <1n <1n <1 pro smykové ztenčení)

7. Viskozita řešení HPMC: Shrnutí tabulky

Níže je uvedena tabulka shrnující charakteristiky viskozity vodných roztoků HPMC za různých podmínek:

Charakteristiky viskozityHPMCVodné roztoky jsou ovlivněny několika faktory, včetně koncentrace, molekulové hmotnosti, teploty a smykové rychlosti. HPMC je vysoce všestranný materiál a jeho reologické vlastnosti lze přizpůsobit pro specifické aplikace úpravou těchto parametrů. Porozumění těmto faktorům umožňuje optimální použití Kimacell®HPMC v různých průmyslových odvětvích, od léčiv po jídlo a kosmetiku. Manipulací s podmínkami, za kterých je HPMC rozpuštěn, mohou výrobci dosáhnout požadovaných vlastností viskozity a průtoku pro jejich specifické potřeby.