מאפייני צמיגות של תמיסה מימית של הידרוקסיפרופיל מתיל -קלאולוזה (HPMC)

Hydroxypropyl Methylcellulose (HPMC)הוא פולימר מסיס במים בשימוש נרחב עם מגוון יישומים, במיוחד בתרופות, אוכל ומוצרי קוסמטיקה. היכולת שלה ליצור פתרונות עבים, דמויי ג'ל כאשר מעורבבים במים הופכת אותו למרכיב רב-תכליתי. הצמיגות של פתרונות Kimacell®hpmc ממלאת תפקיד מכריע בקביעת ביצועיהם בפורמולות שונות. הבנת מאפייני הצמיגות של פתרונות מימיים של HPMC חיונית למיטוב השימוש בהם בענפים שונים.

1. מבוא ל- Hydroxypropyl Methylcellulose (HPMC)

Hydroxypropyl Methylcellulose הוא נגזרת חצי סינתטית של תאית. זה מיוצר על ידי החלפת תאית עם קבוצות הידרוקסיפרופיל וקבוצות מתיל. היחס בין תחליפים אלה יכול להשתנות, מה שמוביל לציונים שונים של HPMC עם מאפיינים מובחנים, כולל צמיגות. המבנה האופייני של HPMC מורכב מעמוד השדרה התאית עם קבוצות הידרוקסיפרופיל ומתיל המחוברות ליחידות הגלוקוז.

HPMC משמש במגוון תעשיות בשל תאימות הביולוגית שלה, יכולתו ליצור ג'לים וקלות מסיסות במים. בתמיסות מימיות, HPMC מתנהג כפולימר לא יוני-מסיס במים המשפיע באופן משמעותי על התכונות הריאולוגיות של הפיתרון, במיוחד צמיגות.

2. מאפייני צמיגות של פתרונות HPMC

הצמיגות של פתרונות HPMC מושפעת מכמה גורמים, כולל ריכוז HPMC, המשקל המולקולרי של הפולימר, הטמפרטורה ונוכחותם של מלחים או מומסים אחרים. להלן הגורמים העיקריים השולטים במאפייני הצמיגות של HPMC בפתרונות מימיים:

ריכוז HPMC: הצמיגות עולה ככל שהריכוז של HPMC עולה. בריכוזים גבוהים יותר, מולקולות HPMC מתקשרות באופן משמעותי יותר זו עם זו, מה שמוביל להתנגדות גבוהה יותר לזרימה.

משקל מולקולרי של HPMC: הצמיגות של פתרונות HPMC מתואמת מאוד עם המשקל המולקולרי של הפולימר. ציוני HPMC במשקל מולקולרי גבוה יותר נוטים לייצר פתרונות צמיגים יותר. הסיבה לכך היא שמולקולות פולימריות גדולות יותר יוצרות התנגדות משמעותית יותר לזרימה בגלל ההסתבכות והחיכוך המוגברים שלהן.

טֶמפֶּרָטוּרָה: צמיגות בדרך כלל פוחתת ככל שהטמפרטורה עולה. הסיבה לכך היא שטמפרטורות גבוהות יותר גורמות להפחתת הכוחות הבין -מולקולריים בין מולקולות HPMC, ובכך להפחית את יכולתם להתנגד לזרם.

קצב גזירה: הצמיגות של פתרונות HPMC תלויה בקצב הגזירה, במיוחד בנוזלים שאינם ניוטוניים, האופייניים לפתרונות פולימרים. בשיעורי גזירה נמוכים, פתרונות HPMC מראים צמיגות גבוהה, ואילו בשיעורי גזירה גבוהים, הצמיגות פוחתת כתוצאה מהתנהגות דלילת הגזירה.

השפעת חוזק יוני: נוכחות של אלקטרוליטים (כגון מלחים) בתמיסה יכולה לשנות את הצמיגות. מלחים מסוימים יכולים להקרין את הכוחות הדוחים בין שרשראות הפולימר, ולגרום להם לצבור ולהביא לירידה בצמיגות.

3. צמיגות לעומת ריכוז: תצפיות ניסיוניות

מגמה כללית שנצפתה בניסויים היא שהצמיגות של פתרונות מימיים של HPMC עולה באופן אקספוננציאלי עם עליית ריכוז הפולימר. ניתן לתאר את הקשר בין צמיגות לריכוז על ידי המשוואה האמפירית הבאה, המשמשת לרוב לפתרונות פולימרים מרוכזים:

η = acn \ eta = ac^nη = acn

אֵיפֹה:

η \ etaη הוא הצמיגות

CCC הוא ריכוז HPMC

AAA ו- NNN הם קבועים אמפיריים התלויים בסוג הספציפי של HPMC ובתנאי הפיתרון.

עבור ריכוזים נמוכים יותר, הקשר הוא לינארי, אך ככל שהריכוז עולה, הצמיגות עולה בצורה תלולה, ומשקפת את האינטראקציה המוגברת בין שרשראות הפולימר.

4. צמיגות לעומת משקל מולקולרי

המשקל המולקולרי של Kimacell®hpmc ממלא תפקיד מכריע במאפייני הצמיגות שלו. פולימרים HPMC במשקל מולקולרי גבוה יותר נוטים ליצור פתרונות צמיגים יותר בריכוזים נמוכים יותר בהשוואה לציונים נמוכים יותר במשקל מולקולרי. צמיגות הפתרונות העשויה מ- HPMC במשקל מולקולרי גבוה יכולה להיות עד מספר סדרי גודל גבוהה יותר מזו של פתרונות העשויים מ- HPMC במשקל מולקולרי נמוך יותר.

לדוגמה, תמיסה של HPMC עם משקל מולקולרי של 100,000 DA יציג צמיגות גבוהה יותר מאחד עם משקל מולקולרי של 50,000 DA באותו ריכוז.

5. השפעת טמפרטורה על צמיגות

לטמפרטורה השפעה משמעותית על הצמיגות של פתרונות HPMC. העלייה בטמפרטורה מובילה להפחתה בצמיגות הפיתרון. זה נובע בעיקר מהתנועה התרמית של שרשראות הפולימר, מה שגורם להן לנוע בחופשיות יותר, ומפחית את התנגדותם לזרימה. השפעת הטמפרטורה על צמיגות מכמתת לעתים קרובות באמצעות משוואה מסוג Arrhenius:

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

אֵיפֹה:

η (t) \ eta (t) η (t) הוא הצמיגות בטמפרטורה TTT

η0 \ eta_0η0 הוא הגורם הקדם-אקספוננציאלי (צמיגות בטמפרטורה אינסופית)

EAE_AEA היא אנרגיית ההפעלה

RRR הוא קבוע הגז

TTT היא הטמפרטורה המוחלטת

6. התנהגות ריאולוגית

הריאולוגיה של פתרונות מימיים של HPMC מתוארת לרוב כלא-ניטוני, כלומר צמיגות הפיתרון אינה קבועה אך משתנה עם קצב הגזירה המיושם. בשיעורי גזירה נמוכים, פתרונות HPMC מראים צמיגות גבוהה יחסית עקב הסתבכות של שרשראות פולימריות. עם זאת, ככל שקצב הגזירה עולה, הצמיגות פוחתת - תופעה המכונה דילול גזירה.

התנהגות מדלקת גזירה זו אופיינית לפתרונות פולימרים רבים, כולל HPMC. ניתן לתאר את תלות קצב הגזירה של צמיגות באמצעות מודל חוק הכוח:

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

אֵיפֹה:

γ˙ \ dot {\ gamma} γ˙ הוא קצב הגזירה

KKK הוא מדד העקביות

NNN הוא מדד התנהגות הזרימה (עם n <1n <1n <1 לדילול גזירה)

7. צמיגות של פתרונות HPMC: טבלת סיכום

להלן טבלה המסכמת את מאפייני הצמיגות של פתרונות מימיים של HPMC בתנאים שונים:

מאפייני הצמיגות שלHPMCפתרונות מימיים מושפעים מכמה גורמים, כולל ריכוז, משקל מולקולרי, טמפרטורה וקצב גזירה. HPMC הוא חומר רב -תכליתי ביותר, וניתן להתאים את תכונותיו הריאולוגיות ליישומים ספציפיים על ידי התאמת פרמטרים אלה. הבנת גורמים אלה מאפשרת שימוש אופטימלי ב- Kimacell®hpmc בענפים שונים, החל מתרופות למזון וקוסמטיקה. על ידי מניפולציה של התנאים שבהם מומס HPMC, היצרנים יכולים להשיג את תכונות הצמיגות והזרימה הרצויות לצרכים הספציפיים שלהם.