Charakteristiky viskozity vodného roztoku hydroxypropylmetylcelulózy (HPMC)

Hydroxypropylmetylcelulóza (HPMC)je široko používaný vodoterný polymér s rôznymi aplikáciami, najmä vo farmaceutických výrobkoch, potravinách a kozmetických výrobkoch. Jeho schopnosť tvoriť silné, gélové roztoky, keď sa zmieša s vodou, z nej robí všestrannú zložku. Viskozita roztokov Kimacell®HPMC zohráva rozhodujúcu úlohu pri určovaní ich výkonnosti v rôznych formuláciách. Pochopenie charakteristík viskozity vodných riešení HPMC je nevyhnutné na optimalizáciu ich používania v rôznych odvetviach.

1. Úvod do hydroxypropylmetylcelulózy (HPMC)

Hydroxypropylmetylcelulóza je semi-syntetický derivát celulózy. Vytvára sa substitúciou celulózy hydroxypropylovými skupinami a metylovými skupinami. Pomer týchto substitúcií sa môže meniť, čo vedie k rôznym stupňom HPMC s odlišnými charakteristikami vrátane viskozity. Typická štruktúra HPMC pozostáva z chrbtice celulózy s hydroxypropyl a metylovými skupinami pripojenými k glukózovým jednotkám.

HPMC sa používa v rôznych odvetviach kvôli svojej biokompatibilite, schopnosti tvoriť gély a ľahkej rozpustnosti vo vode. Vo vodných roztokoch sa HPMC správa ako neiónový, rozpustný polymér, ktorý významne ovplyvňuje reologické vlastnosti roztoku, najmä viskozitu.

2. Charakteristiky viskozity riešení HPMC

Viskozita roztokov HPMC je ovplyvnená niekoľkými faktormi vrátane koncentrácie HPMC, molekulovej hmotnosti polyméru, teploty a prítomnosti solí alebo iných rozpustených látok. Nižšie sú uvedené primárne faktory, ktoré riadia charakteristiky viskozity HPMC vo vodných riešeniach:

Koncentrácia HPMC: Viskozita sa zvyšuje so zvyšovaním koncentrácie HPMC. Pri vyšších koncentráciách molekuly HPMC navzájom významnejšie interagujú, čo vedie k vyššej rezistencii voči prietoku.

Molekulová hmotnosť HPMC: Viskozita roztokov HPMC silne koreluje s molekulovou hmotnosťou polyméru. Stupne HPMC s vyššou molekulovou hmotnosťou majú tendenciu produkovať viac viskóznych roztokov. Dôvodom je skutočnosť, že väčšie molekuly polyméru vytvárajú výraznejšiu odolnosť proti toku v dôsledku ich zvýšeného zapletenia a trenia.

Teplota: Viskozita sa zvyčajne znižuje so zvyšovaním teploty. Dôvodom je skutočnosť, že vyššie teploty vedú k zníženiu intermolekulárnych síl medzi molekulami HPMC, čím sa znižuje ich schopnosť odolávať toku.

Strih: Viskozita roztokov HPMC je závislá od šmykovej rýchlosti, najmä v nových tekutinách, ktoré sú typické pre polymérne roztoky. Pri nízkych šmykových rýchlostiach vykazujú roztoky HPMC vysokú viskozitu, zatiaľ čo pri vysokých šmykových rýchlostiach sa viskozita znižuje v dôsledku správania strihania.

Účinok iónovej sily: Prítomnosť elektrolytov (napríklad soli) v roztoku môže zmeniť viskozitu. Niektoré soli dokážu skrínovať odpudivé sily medzi polymérnymi reťazcami, čo spôsobuje, že sa agregujú a vedú k zníženiu viskozity.

3. Viskozita verzus koncentrácia: experimentálne pozorovania

Všeobecný trend pozorovaný v experimentoch je, že viskozita vodných roztokov HPMC sa exponenciálne zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou polyméru. Vzťah medzi viskozitou a koncentráciou môže byť opísaný nasledujúcou empirickou rovnicou, ktorá sa často používa pre koncentrované polymérne roztoky:

η = acn \ eta = ac^nη = acn

Kde:

η \ etaη je viskozita

CCC je koncentrácia HPMC

AAA a NNN sú empirické konštanty, ktoré závisia od špecifického typu HPMC a podmienok roztoku.

V prípade nižších koncentrácií je vzťah lineárny, ale so zvyšovaním koncentrácie sa viskozita prudko stúpa a odráža zvýšenú interakciu medzi polymérnymi reťazcami.

4. Viskozita verzus molekulová hmotnosť

Molekulová hmotnosť Kimacell®HPMC hrá rozhodujúcu úlohu v charakteristikách viskozity. Polyméry HPMC s vyššou molekulovou hmotnosťou majú tendenciu tvoriť viac viskóznych roztokov pri nižších koncentráciách v porovnaní s stupňami nižšej molekulovej hmotnosti. Viskozita roztokov vyrobených z HPMC s vysokou molekulovou hmotnosťou môže byť až o niekoľko rádov vyšších ako v rámci roztokov vyrobených z HPMC s nižšou molekulovou hmotnosťou.

Napríklad roztok HPMC s molekulovou hmotnosťou 100 000 Da bude vykazovať vyššiu viskozitu ako s molekulovou hmotnosťou 50 000 Da pri rovnakej koncentrácii.

5. Teplotný účinok na viskozitu

Teplota má významný vplyv na viskozitu roztokov HPMC. Zvýšenie teploty vedie k zníženiu viskozity roztoku. Je to predovšetkým spôsobené tepelným pohybom polymérnych reťazcov, čo spôsobuje, že sa pohybujú voľnejšie, čím sa znižuje ich odpor na tok. Vplyv teploty na viskozitu sa často kvantifikuje pomocou rovnice typu Arrhenius:

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

Kde:

η (t) \ eta (t) η (t) je viskozita pri teplote ttt

η0 \ eta_0η0 je pre-exponenciálny faktor (viskozita pri nekonečnej teplote)

EAE_AEA je aktivačná energia

RRR je plynová konštanta

TTT je absolútna teplota

6. Reologické správanie

Reológia vodných roztokov HPMC je často opísaná ako novo-Newtonovia, čo znamená, že viskozita roztoku nie je konštantná, ale mení sa s použitou šmykovou rýchlosťou. Pri nízkych šmykových rýchlostiach vykazujú roztoky HPMC relatívne vysokú viskozitu v dôsledku zapletenia polymérnych reťazcov. Avšak, keď sa zvyšuje rýchlosť šmyku, viskozita sa znižuje - jav známy ako riedenie šmyku.

Toto správanie na strihanie je typické pre mnoho polymérnych roztokov vrátane HPMC. Závislosť od šmykovej rýchlosti viskozity je možné opísať pomocou modelu energetického práva:

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

Kde:

γ˙ \ dot {\ gamma} γ˙ je šmyková rýchlosť

KKK je index konzistencie

NNN je index správania prietoku (s n <1n <1n <1 pre striedanie riedenia)

7. Viskozita riešení HPMC: Súhrnná tabuľka

Nižšie je uvedená tabuľka sumarizujúca charakteristiky viskozity vodných roztokov HPMC za rôznych podmienok:

Charakteristiky viskozityHpmcVodné roztoky sú ovplyvňované niekoľkými faktormi vrátane koncentrácie, molekulovej hmotnosti, teploty a šmykovej rýchlosti. HPMC je vysoko univerzálny materiál a jeho reologické vlastnosti môžu byť prispôsobené pre konkrétne aplikácie úpravou týchto parametrov. Pochopenie týchto faktorov umožňuje optimálne použitie Kimacell®HPMC v rôznych odvetviach, od farmaceutických výrobkov po potraviny a kozmetiku. Manipuláciou s podmienkami, za ktorých je HPMC rozpustený, môžu výrobcovia dosiahnuť požadované vlastnosti viskozity a prietoku pre svoje špecifické potreby.