Charakterystyka lepkości roztworu wodnego roztworu hydroksypropylo -metylocelulozy (HPMC)

Metyloceluloza hydroksypropylo (HPMC)jest powszechnie stosowanym polimerem rozpuszczalnym w wodzie z różnymi zastosowaniami, szczególnie w farmaceutycznych, żywności i produktach kosmetycznych. Jego zdolność do tworzenia grubych, żelowych roztworów po zmieszaniu z wodą czyni ją wszechstronnym składnikiem. Lepkość roztworów Kimacell®HPMC odgrywa kluczową rolę w określaniu ich wydajności w różnych preparatach. Zrozumienie charakterystyki lepkości roztworów wodnych HPMC jest niezbędne do optymalizacji ich zastosowania w różnych branżach.

1. Wprowadzenie do hydroksypropylo -metylocelulozy (HPMC)

Hydroksypropylo-metyloceluloza jest półsyntetyczną pochodną celulozy. Jest wytwarzany przez podstawienie celulozy z grupami hydroksypropylowymi i grupami metylowymi. Stosunek tych podstawień może się różnić, co prowadzi do różnych gatunków HPMC o różnych cechach, w tym lepkości. Typowa struktura HPMC składa się z kręgosłupa celulozy z grupami hydroksypropylowymi i metylowymi przyłączonymi do jednostek glukozy.

HPMC jest stosowany w różnych branżach ze względu na jego biokompatybilność, zdolność do tworzenia żeli i łatwości rozpuszczalności w wodzie. W roztworach wodnych HPMC zachowuje się jako niejonowy, rozpuszczalny w wodzie polimer, który znacząco wpływa na właściwości reologiczne roztworu, szczególnie lepkość.

2. Charakterystyka lepkości roztworów HPMC

Na lepkość roztworów HPMC wpływa kilka czynników, w tym stężenie HPMC, masa cząsteczkowa polimeru, temperatura oraz obecność soli lub innych substancji rozpuszczonych. Poniżej znajdują się podstawowe czynniki regulujące charakterystykę lepkości HPMC w roztworach wodnych:

Stężenie HPMC: Lepkość wzrasta wraz ze wzrostem stężenia HPMC. Przy wyższych stężeniach cząsteczki HPMC oddziałują znacznie bardziej ze sobą, co prowadzi do wyższej odporności na przepływ.

Masa cząsteczkowa HPMC: Lepkość roztworów HPMC jest silnie skorelowana z masą cząsteczkową polimeru. Gatunki HPMC o wyższej masie cząsteczkowej mają tendencję do wytwarzania bardziej lepkich roztworów. Wynika to z faktu, że większe cząsteczki polimerowe powodują bardziej znaczącą odporność na przepływ ze względu na ich zwiększone uwikłanie i tarcie.

Temperatura: Lepkość zwykle maleje wraz ze wzrostem temperatury. Wynika to z faktu, że wyższe temperatury powodują zmniejszenie sił międzycząsteczkowych między cząsteczkami HPMC, zmniejszając w ten sposób ich zdolność do odporności przepływu.

Szybkość ścinania: Lepkość roztworów HPMC jest zależna od szybkości ścinania, szczególnie w płynach nienewtonowskich, co jest typowe dla roztworów polimerowych. Przy niskich szybkościach ścinania roztwory HPMC wykazują wysoką lepkość, podczas gdy przy dużych szybkościach ścinania lepkość zmniejsza się z powodu zachowania przerzedzania ścinania.

Wpływ siły jonowej: Obecność elektrolitów (takich jak sole) w roztworze może zmienić lepkość. Niektóre sole mogą sprawdzać odpychające siły między łańcuchami polimerowymi, powodując, że agregują się i powodując zmniejszenie lepkości.

3. Lepkość a stężenie: obserwacje eksperymentalne

Ogólnym trendem zaobserwowanym w eksperymentach jest to, że lepkość roztworów wodnych HPMC wzrasta wykładniczo wraz ze wzrostem stężenia polimeru. Związek między lepkością a stężeniem można opisać następującym równaniem empirycznym, które jest często stosowane do stężonych roztworów polimerowych:

η = acn \ eta = ac^nη = acn

Gdzie:

η \ etaη to lepkość

CCC to stężenie HPMC

AAA i NNN są stałymi empirycznymi, które zależą od określonego rodzaju HPMC i warunków rozwiązania.

W przypadku niższych stężeń zależność jest liniowa, ale wraz ze wzrostem stężenia lepkość wzrasta, odzwierciedlając zwiększoną interakcję między łańcuchami polimerowymi.

4. Lepkość a masa cząsteczkowa

Masa cząsteczkowa Kimacell®HPMC odgrywa kluczową rolę w jego charakterystyce lepkości. Polimery HPMC o wyższej masie cząsteczkowej mają tendencję do tworzenia bardziej lepkich roztworów przy niższych stężeniach w porównaniu z niższymi stopami masy cząsteczkowej. Lepkość roztworów wykonanych z HPMC o wysokiej masie cząsteczkowej może być do kilku rzędów wielkości wyższej niż roztwory wykonane z HPMC o niższej masie cząsteczkowej.

Na przykład roztwór HPMC o masie cząsteczkowej 100 000 DA będzie wykazywać wyższą lepkość niż masę cząsteczkową 50 000 Da w tym samym stężeniu.

5. Wpływ temperatury na lepkość

Temperatura ma znaczący wpływ na lepkość roztworów HPMC. Wzrost temperatury prowadzi do zmniejszenia lepkości roztworu. Wynika to przede wszystkim z ruchu termicznego łańcuchów polimerowych, co powoduje, że ich swobodnie poruszają się, zmniejszając ich odporność na przepływ. Wpływ temperatury na lepkość jest często określana ilościowo za pomocą równania typu Arrheniusa:

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

Gdzie:

η (t) \ eta (t) η (t) to lepkość w temperaturze TTT

η0 \ eta_0η0 jest czynnikiem przedefektywnym (lepkość w nieskończonej temperaturze)

Eae_aea to energia aktywacji

RRR to stała gazu

TTT jest temperaturą bezwzględną

6. Zachowanie reologiczne

Reologia roztworów wodnych HPMC jest często opisywana jako nie-newtonowska, co oznacza, że ​​lepkość roztworu nie jest stała, ale zmienia się w zależności od stosowanej szybkości ścinania. Przy niskich szybkościach ścinania roztwory HPMC wykazują stosunkowo wysoką lepkość z powodu splątania łańcuchów polimerowych. Jednak wraz ze wzrostem szybkości ścinania lepkość zmniejsza się - zjawisko znane jako przerzedzenie ścinające.

To zachowanie chwytania ścinania jest typowe dla wielu roztworów polimerowych, w tym HPMC. Zależność lepkości od szybkości ścinania można opisać przy użyciu modelu prawa mocy:

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

Gdzie:

γ˙ \ dot {\ gamma} γ˙ to szybkość ścinania

KKK to wskaźnik spójności

NNN jest wskaźnikiem zachowania przepływu (z n <1n <1n <1 do przerzedzania ścinania)

7. Lepkość roztworów HPMC: Tabela podsumowująca

Poniżej znajduje się tabela podsumowująca charakterystykę lepkości roztworów wodnych HPMC w różnych warunkach:

Charakterystyka lepkościHPMCNa roztwory wodne wpływa kilka czynników, w tym stężenie, masę cząsteczkową, temperaturę i szybkość ścinania. HPMC jest wysoce wszechstronnym materiałem, a jego właściwości reologiczne można dostosować do określonych zastosowań, dostosowując te parametry. Zrozumienie tych czynników pozwala na optymalne wykorzystanie Kimacell®HPMC w różnych branżach, od farmaceutyków po żywność i kosmetyki. Poprzez manipulowanie warunkami, w których HPMC jest rozpuszczone, producenci mogą osiągnąć pożądaną lepkość i właściwości przepływu dla ich konkretnych potrzeb.