Hydroksipropyylimetyyliselluloosan (HPMC) vesiliuoksen viskositeetin ominaisuudet

Hydroksipropyylimetyyliselluloosa (HPMC)on laajalti käytetty vesiliukoinen polymeeri, jolla on erilaisia ​​sovelluksia, etenkin lääkkeissä, elintarvikkeissa ja kosmeettisissa tuotteissa. Sen kyky muodostaa paksuja, geelimäisiä liuoksia, kun se sekoitetaan veteen, tekee siitä monipuolisen ainesosan. Kimacell®HPMC -ratkaisujen viskositeetti on tärkeä rooli niiden suorituskyvyn määrittämisessä eri formulaatioissa. HPMC -vesipitoisten ratkaisujen viskositeetin ominaisuuksien ymmärtäminen on välttämätöntä niiden käytön optimoimiseksi eri toimialoilla.

1. Johdanto hydroksipropyylimetyyliselluloosaan (HPMC)

Hydroksipropyylimetyyliselluloosa on selluloosan puolisynteettinen johdannainen. Sitä tuotetaan korvaamalla selluloosa hydroksipropyyliryhmillä ja metyyliryhmillä. Näiden substituutioiden suhde voi vaihdella, mikä johtaa HPMC: n eri luokkiin, joilla on selkeät ominaisuudet, mukaan lukien viskositeetti. HPMC: n tyypillinen rakenne koostuu selluloosan rungosta, jossa on hydroksipropyyli- ja metyyliryhmiä, jotka on kiinnitetty glukoosiyksiköihin.

HPMC: tä käytetään monilla toimialoilla biologisen yhteensopivuuden, kyvyn muodostamisen ja veden liukoisuuden helpon vuoksi. Vesipitoisissa liuoksissa HPMC käyttäytyy ei-ionisena, vesiliukoisena polymeerinä, joka vaikuttaa merkittävästi liuoksen reologisiin ominaisuuksiin, erityisesti viskositeettiin.

2. HPMC -ratkaisujen viskositeetin ominaisuudet

HPMC -liuosten viskositeettiin vaikuttavat useita tekijöitä, mukaan lukien HPMC: n pitoisuus, polymeerin molekyylipaino, lämpötila ja suolojen tai muiden liuenneiden aineiden läsnäolo. Alla on ensisijaiset tekijät, jotka hallitsevat HPMC: n viskositeetin ominaisuuksia vesiliuoksissa:

HPMC: n pitoisuus: Viskositeetti kasvaa, kun HPMC: n pitoisuus kasvaa. Suuremmissa pitoisuuksissa HPMC -molekyylit ovat vuorovaikutuksessa merkittävästi toistensa kanssa, mikä johtaa suurempaan virtausvastukseen.

HPMC: n molekyylipaino: HPMC -liuosten viskositeetti korreloi voimakkaasti polymeerin molekyylipainon kanssa. Korkeammat molekyylipainoiset HPMC -luokat yleensä tuottavat enemmän viskoosisia liuottoja. Tämä johtuu siitä, että suuret polymeerimolekyylit luovat merkitsevämmän vastustuskyvyn virtaukselle niiden lisääntyneen takertumisen ja kitkan vuoksi.

Lämpötila: Viskositeetti laskee tyypillisesti lämpötilan noustessa. Tämä johtuu siitä, että korkeammat lämpötilat johtavat molekyylien välisten voimien vähentymiseen HPMC -molekyylien välillä, mikä vähentää niiden kykyä vastustaa virtausta.

Leikkausnopeus: HPMC-liuosten viskositeetti on leikkausnopeudesta riippuvainen, etenkin ei-Newtonin nesteissä, mikä on tyypillistä polymeeriliuoksille. Alhaisella leikkausnopeudella HPMC -liuoksilla on suuri viskositeetti, kun taas korkealla leikkausnopeudella viskositeetti vähenee leikkauksen ohenemiskäyttäytymisen vuoksi.

Ionisen lujuuden vaikutus: Elektrolyyttien (kuten suolojen) läsnäolo liuoksessa voi muuttaa viskositeettia. Jotkut suolat voivat seuloa torjuvat voimat polymeeriketjujen välillä, aiheuttaen ne aggregoitumaan ja johtaen viskositeetin vähentymiseen.

3. Viskositeetti vs. pitoisuus: kokeelliset havainnot

Kokeissa havaittu yleinen suuntaus on, että HPMC -vesiliuosten viskositeetti kasvaa eksponentiaalisesti polymeeripitoisuuden kasvaessa. Viskositeetin ja konsentraation välinen suhde voidaan kuvata seuraavalla empiirisellä yhtälöllä, jota käytetään usein konsentroituihin polymeeriliuoksiin:

η = acn \ eta = ac^nη = acn

Jossa:

η \ etaη on viskositeetti

CCC on HPMC: n pitoisuus

AAA ja NNN ovat empiirisiä vakioita, jotka ovat riippuvaisia ​​HPMC: n erityisestä tyypistä ja liuoksen olosuhteista.

Pienemmillä pitoisuuksilla suhde on lineaarinen, mutta pitoisuuden lisääntyessä viskositeetti nousee jyrkästi, heijastaen lisääntynyttä vuorovaikutusta polymeeriketjujen välillä.

4. Viskositeetti vs. molekyylipaino

Kimacell®HPMC: n molekyylipainolla on tärkeä rooli sen viskositeetin ominaisuuksissa. Korkeammat molekyylipainoiset HPMC -polymeerit muodostavat yleensä enemmän viskoosisia liuoksia pienemmillä pitoisuuksilla verrattuna alhaisempiin molekyylipainoluokkiin. Korkean molekyylipainoisesta HPMC: stä valmistettujen liuosten viskositeetti voi olla jopa useita suuruusluokkaa suurempia kuin alemman molekyylipainon HPMC: stä valmistettujen liuosten.

Esimerkiksi HPMC -liuoksella, jonka molekyylipaino on 100 000 Da, on suurempi viskositeetti kuin yhdellä, jonka molekyylipaino on 50 000 Da samassa konsentraatiossa.

5. Lämpötilavaikutus viskositeettiin

Lämpötilalla on merkittävä vaikutus HPMC -ratkaisujen viskositeettiin. Lämpötilan nousu johtaa liuoksen viskositeetin vähentymiseen. Tämä johtuu pääasiassa polymeeriketjujen lämpöliikkeestä, mikä saa ne liikkumaan vapaammin, vähentäen niiden virtauskestävyyttä. Lämpötilan vaikutus viskositeettiin kvantifioidaan usein Arrhenius-tyyppisellä yhtälöllä:

η (t) = η0eeart \ eta (t) = \ eta_0 e^{\ frac {e_a} {rt}} η (t) = η0 ertea

Jossa:

η (t) \ eta (t) η (t) on viskositeetti lämpötilassa TTT

η0 \ eta_0η0 on pre-eksponentiaalinen tekijä (viskositeetti äärettömässä lämpötilassa)

Eae_aea on aktivointienergia

RRR on kaasuvakio

TTT on absoluuttinen lämpötila

6. Reologinen käyttäytyminen

HPMC-vesiliuosten reologiaa kuvataan usein ei-newtonilaisiksi, mikä tarkoittaa, että liuoksen viskositeetti ei ole vakio, vaan vaihtelee käytetyn leikkausnopeuden mukaan. Alhaisilla leikkausnopeuksilla HPMC -liuoksilla on suhteellisen korkea viskositeetti, joka johtuu polymeeriketjujen takertumisesta. Leikkausnopeuden noustessa viskositeetti kuitenkin vähenee - ilmiö, joka tunnetaan leikkauksen ohenemiseksi.

Tämä leikkauspohjainen käyttäytyminen on tyypillistä monille polymeeriliuoksille, mukaan lukien HPMC. Viskositeetin leikkausnopeusriippuvuus voidaan kuvata käyttämällä voimalaista mallia:

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

Jossa:

γ˙ \ dot {\ gamma} γ˙ on leikkausnopeus

KKK on johdonmukaisuusindeksi

nnn on virtauskäyttäytymisindeksi (n <1n <1n <1 leikkauksen ohenemiseen)

7. HPMC -ratkaisujen viskositeetti: Yhteenvetotaulukko

Alla on taulukko, jossa esitetään yhteenveto HPMC -vesiliuosten viskositeetin ominaisuuksista eri olosuhteissa:

Viskositeetin ominaisuudetHPMCVesipitoisiin liuoksiin vaikuttavat useita tekijöitä, mukaan lukien pitoisuus, molekyylipaino, lämpötila ja leikkausnopeus. HPMC on erittäin monipuolinen materiaali, ja sen reologiset ominaisuudet voidaan räätälöidä tiettyihin sovelluksiin säätämällä näitä parametreja. Näiden tekijöiden ymmärtäminen mahdollistaa Kimacell®HPMC: n optimaalisen käytön eri toimialoilla lääkkeistä elintarvikkeisiin ja kosmetiikkaan. Manipuloimalla olosuhteet, joissa HPMC on liuennut, valmistajat voivat saavuttaa halutun viskositeetin ja virtauksen ominaisuudet heidän erityistarpeisiinsa.