Karakteristike viskoznosti hidroksipropil metilceluloze (HPMC) vodene otopine

Hidroksipropil metilceluloza (HPMC)je široko korišteni polimer topiv u vodi s raznim primjenama, posebno u farmaceutskim proizvodima, hrani i kozmetičkim proizvodima. Njegova sposobnost formiranja gustih otopina nalik gelu kada se miješa s vodom čini ga svestranim sastojkom. Viskoznost otopina Kimacell®HPMC igra ključnu ulogu u određivanju njihovih performansi u različitim formulacijama. Razumijevanje karakteristika viskoznosti HPMC vodenih rješenja neophodno je za optimizaciju njihove uporabe u raznim industrijama.

1. Uvod u hidroksipropil metilcelulozu (HPMC)

Hidroksipropil metilceluloza je polusintetski derivat celuloze. Proizvodi ga supstitucija celuloze s hidroksipropilnim skupinama i metilnim skupinama. Omjer ovih supstitucija može varirati, što dovodi do različitih stupnjeva HPMC -a s različitim karakteristikama, uključujući viskoznost. Tipična struktura HPMC sastoji se od kralježnice celuloze s hidroksipropilnim i metilnim skupinama pričvršćenim na jedinice glukoze.

HPMC se koristi u raznim industrijama zbog svoje biokompatibilnosti, sposobnosti formiranja gelova i lakoće topljivosti u vodi. U vodenim otopinama, HPMC se ponaša kao neionski, topiv polimer koji značajno utječe na reološka svojstva otopine, posebno viskoznost.

2. Karakteristike viskoznosti HPMC rješenja

Na viskoznost HPMC otopina utječe nekoliko čimbenika, uključujući koncentraciju HPMC -a, molekulsku masu polimera, temperaturu i prisutnost soli ili drugih rastvora. Ispod su primarni čimbenici koji upravljaju karakteristikama viskoznosti HPMC -a u vodenim otopinama:

Koncentracija HPMC: Viskoznost se povećava kako se koncentracija HPMC povećava. U višim koncentracijama, molekule HPMC -a međusobno značajno međusobno djeluju, što dovodi do većeg otpora na protok.

Molekularna masa HPMC -a: Viskoznost HPMC otopina snažno je u korelaciji s molekularnom težinom polimera. Veće molekulske mase HPMC ocjene imaju više viskoznih otopina. To je zato što veće polimerne molekule stvaraju značajniju otpornost na protok zbog povećane zaplete i trenja.

Temperatura: Viskoznost se obično smanjuje kako se temperatura povećava. To je zato što veće temperature rezultiraju smanjenjem intermolekularne sile između molekula HPMC, čime se smanjuje njihova sposobnost da se odupre protok.

Brzina smicanja: Viskoznost HPMC otopina ovisi o brzini smicanja, posebno u ne-newtonovim tekućinama, što je tipično za polimerne otopine. Pri niskim brzinama smicanja, HPMC otopine pokazuju visoku viskoznost, dok se pri visokim brzinama smicanja viskoznost smanjuje zbog ponašanja prorjeđivanja smicanja.

Učinak ionske čvrstoće: Prisutnost elektrolita (poput soli) u otopini može promijeniti viskoznost. Neke soli mogu prikazati odbojne sile između polimernih lanaca, uzrokujući da se agregiraju i rezultiraju smanjenjem viskoznosti.

3. Viskoznost nasuprot koncentraciji: eksperimentalna opažanja

Opći trend primijećen u eksperimentima je da se viskoznost vodenih otopina HPMC eksponencijalno povećava s povećanjem koncentracije polimera. Odnos između viskoznosti i koncentracije može se opisati sljedećom empirijskom jednadžbom, koja se često koristi za koncentrirane polimerne otopine:

η = acn \ eta = ac^nη = acn

Gdje:

η \ etaη je viskoznost

CCC je koncentracija HPMC

AAA i NNN su empirijske konstante koje ovise o specifičnoj vrsti HPMC -a i uvjetima otopine.

Za niže koncentracije odnos je linearni, ali kako se koncentracija povećava, viskoznost se strmo raste, što odražava povećanu interakciju između polimernih lanaca.

4. Viskoznost nasuprot molekularnoj težini

Molekularna masa Kimacell®HPMC igra ključnu ulogu u njegovim karakteristikama viskoznosti. HPMC polimeri veće molekulske mase imaju tendenciju da formiraju više viskoznih otopina u nižim koncentracijama u usporedbi s nižim stupnjevima molekularne mase. Viskoznost otopina izrađenih od HPMC visoke molekularne mase može biti do nekoliko reda većih od onih otopina izrađenih od HPMC-a niže molekularne mase.

Na primjer, otopina HPMC -a s molekulskom masom od 100 000 DA pokazat će veću viskoznost od one s molekularnom težinom od 50 000 DA u istoj koncentraciji.

5. Temperaturni učinak na viskoznost

Temperatura ima značajan utjecaj na viskoznost HPMC otopina. Povećanje temperature dovodi do smanjenja viskoznosti otopine. To je prvenstveno zbog toplinskog gibanja polimernih lanaca, zbog čega se slobodnije kreću, smanjujući njihov otpor na protok. Učinak temperature na viskoznost često se kvantificira pomoću jednadžbe tipa Arrhenius:

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

Gdje:

η (t) \ eta (t) η (t) je viskoznost na temperaturi TTT

η0 \ eta_0η0 je pred-eksponencijalni faktor (viskoznost na beskonačnoj temperaturi)

Eae_aea je energija aktivacije

RRR je konstanta plina

TTT je apsolutna temperatura

6. Reološko ponašanje

Reologija HPMC vodenih otopina često se opisuje kao ne-Newtonian, što znači da viskoznost otopine nije konstantna, ali varira od primijenjene brzine smicanja. Pri niskim brzinama smicanja, HPMC otopine pokazuju relativno visoku viskoznost zbog zapetljavanja polimernih lanaca. Međutim, kako se brzina smicanja povećava, viskoznost se smanjuje - fenomen poznat kao prorjeđivanje smicanja.

Ovo ponašanje smicanja tipično je za mnoga polimerna rješenja, uključujući HPMC. Ovisnost viskoznosti može se opisati ovisnošću viskoznosti pomoću modela snage:

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

Gdje:

γ˙ \ dot {\ gamma} γ˙ je brzina smicanja

KKK je indeks dosljednosti

NNN je indeks ponašanja protoka (s n <1n <1n <1 za stanjivanje smicanja)

7. Viskoznost HPMC otopine: Sažetak tablica

Ispod je tablica koja sažima karakteristike viskoznosti vodenih otopina HPMC u različitim uvjetima:

Karakteristike viskoznostiHPMCNa vodene otopine utječu nekoliko čimbenika, uključujući koncentraciju, molekulsku masu, temperaturu i brzinu smicanja. HPMC je vrlo svestran materijal, a njegova reološka svojstva mogu se prilagoditi specifičnim primjenama podešavanjem ovih parametara. Razumijevanje ovih čimbenika omogućava optimalnu upotrebu Kimacell®HPMC u raznim industrijama, od farmaceutskih proizvoda do hrane i kozmetike. Manipuliranjem uvjetima pod kojima se HPMC otopi, proizvođači mogu postići željenu svojstva viskoznosti i protoka za svoje specifične potrebe.