Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC)ist ein nichtionischer, wasserlöslicher Cellulosemischether. Es ist ein weißes bis leicht gelbes Pulver oder Granulat, geschmacks- und geruchsneutral, ungiftig, chemisch stabil und löst sich in Wasser zu einer glatten, transparenten und viskosen Lösung auf. Eine der wichtigsten Eigenschaften von Hydroxypropylmethylcellulose in der Anwendung ist die Erhöhung der Viskosität der Flüssigkeit. Die Verdickungswirkung hängt vom Polymerisationsgrad (DP) des Produkts, der Celluloseetherkonzentration in der wässrigen Lösung, der Schergeschwindigkeit und der Lösungstemperatur sowie weiteren Faktoren ab.
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Flüssigkeitstyp der wässrigen HPMC-Lösung
Im Allgemeinen kann die Spannung eines Fluids in einer Scherströmung nur als Funktion der Schergeschwindigkeit ƒ(γ) ausgedrückt werden, sofern sie nicht zeitabhängig ist. Abhängig von der Form von ƒ(γ) können Fluide in verschiedene Typen unterteilt werden: Newtonsche Fluide, dilatante Fluide, pseudoplastische Fluide und Bingham-plastische Fluide.
Celluloseether werden in zwei Kategorien unterteilt: nichtionische Celluloseether und ionische Celluloseether. Zur Rheologie dieser beiden Celluloseethertypen führten SC Naik et al. eine umfassende und systematische Vergleichsstudie von Lösungen von Hydroxyethylcellulose und Natriumcarboxymethylcellulose durch. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl die nichtionischen als auch die ionischen Celluloseetherlösungen pseudoplastisch waren. Strömungen, d. h. nicht-Newtonsche Strömungen, nähern sich Newtonschen Flüssigkeiten nur bei sehr geringen Konzentrationen an. Die Pseudoplastizität von Hydroxypropylmethylcelluloselösungen spielt bei der Anwendung eine wichtige Rolle. Beispielsweise nimmt bei der Anwendung in Beschichtungen aufgrund der strukturviskosen Eigenschaften wässriger Lösungen die Viskosität der Lösung mit zunehmender Schergeschwindigkeit ab, was die gleichmäßige Dispersion der Pigmentpartikel fördert und auch die Fließfähigkeit der Beschichtung verbessert. Dieser Effekt ist sehr groß; im Ruhezustand ist die Viskosität der Lösung relativ hoch, wodurch die Ablagerung von Pigmentpartikeln in der Beschichtung wirksam verhindert wird.
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HPMC-Viskositätstestmethode
Ein wichtiger Indikator zur Messung der Verdickungswirkung von Hydroxypropylmethylcellulose ist die scheinbare Viskosität der wässrigen Lösung. Zu den Messmethoden der scheinbaren Viskosität gehören üblicherweise die Kapillarviskositätsmethode, die Rotationsviskositätsmethode und die Kugelfallviskositätsmethode.
Dabei ist: die scheinbare Viskosität in mPa·s; K die Viskosimeterkonstante; d die Dichte der Lösungsprobe bei 20/20 °C; t die Zeit in s, die die Lösung benötigt, um durch den oberen Teil des Viskosimeters zur unteren Markierung zu gelangen; Gemessen wird die Zeit, die das Standardöl durch das Viskosimeter fließt.
Die Methode der Messung mit einem Kapillarviskosimeter ist jedoch schwieriger. Die Viskositäten vielerCelluloseethersind mit einem Kapillarviskosimeter schwer zu analysieren, da diese Lösungen Spuren unlöslicher Stoffe enthalten, die nur bei verstopftem Kapillarviskosimeter erkannt werden. Daher verwenden die meisten Hersteller Rotationsviskosimeter zur Qualitätskontrolle von Hydroxypropylmethylcellulose. Im Ausland werden häufig Brookfield-Viskosimeter, in China NDJ-Viskosimeter eingesetzt.
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Einflussfaktoren der HPMC-Viskosität
3.1 Zusammenhang mit dem Aggregationsgrad
Bei unveränderten Parametern ist die Viskosität der Hydroxypropylmethylcelluloselösung proportional zum Polymerisationsgrad (DP), dem Molekulargewicht oder der Molekülkettenlänge und steigt mit zunehmendem Polymerisationsgrad. Dieser Effekt ist bei niedrigem Polymerisationsgrad stärker ausgeprägt als bei hohem Polymerisationsgrad.
3.2 Zusammenhang zwischen Viskosität und Konzentration
Die Viskosität von Hydroxypropylmethylcellulose steigt mit zunehmender Konzentration des Produkts in der wässrigen Lösung. Schon eine geringe Konzentrationsänderung führt zu einer starken Viskositätsänderung. Mit der nominalen Viskosität von Hydroxypropylmethylcellulose wird der Einfluss der Änderung der Lösungskonzentration auf die Viskosität der Lösung immer deutlicher.
3.3 Zusammenhang zwischen Viskosität und Schergeschwindigkeit
Eine wässrige Lösung von Hydroxypropylmethylcellulose weist die Eigenschaft der Strukturviskosität auf. Hydroxypropylmethylcellulose mit unterschiedlicher nomineller Viskosität wurde zu einer 2%igen wässrigen Lösung verarbeitet und deren Viskosität bei unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten gemessen. Die Ergebnisse sind wie folgt: Bei niedriger Schergeschwindigkeit änderte sich die Viskosität der Hydroxypropylmethylcellulose-Lösung nicht signifikant. Mit zunehmender Schergeschwindigkeit nahm die Viskosität der Hydroxypropylmethylcellulose-Lösung mit höherer nomineller Viskosität deutlicher ab, während sie bei der Lösung mit niedriger Viskosität nicht deutlich abnahm.
3.4 Zusammenhang zwischen Viskosität und Temperatur
Die Viskosität der Hydroxypropylmethylcelluloselösung wird stark von der Temperatur beeinflusst. Mit steigender Temperatur sinkt die Viskosität der Lösung. Wie in der Abbildung dargestellt, wird eine wässrige Lösung mit einer Konzentration von 2 % hergestellt und die Viskositätsänderung mit steigender Temperatur gemessen.
3.5 Weitere Einflussfaktoren
Die Viskosität der wässrigen Hydroxypropylmethylcelluloselösung wird auch durch Additive, den pH-Wert und mikrobiellen Abbau beeinflusst. Um eine bessere Viskosität zu erzielen oder die Kosten zu senken, müssen der wässrigen Hydroxypropylmethylcelluloselösung üblicherweise Rheologiemodifizierer wie Ton, modifizierter Ton, Polymerpulver, Stärkeether und aliphatisches Copolymer zugesetzt werden. Auch Elektrolyte wie Chlorid, Bromid, Phosphat und Nitrat können der wässrigen Lösung zugesetzt werden. Diese Additive beeinflussen nicht nur die Viskosität der wässrigen Lösung, sondern auch andere Anwendungseigenschaften der Hydroxypropylmethylcellulose wie Wasserrückhaltevermögen und Ablauffestigkeit.
Die Viskosität der wässrigen Lösung von Hydroxypropylmethylcellulose wird durch Säuren und Laugen kaum beeinflusst und ist im Allgemeinen im Bereich von 3 bis 11 stabil. Sie verträgt eine gewisse Menge schwacher Säuren wie Ameisensäure, Essigsäure, Phosphorsäure, Borsäure, Zitronensäure usw. Konzentrierte Säure verringert jedoch die Viskosität. Ätznatron, Kaliumhydroxid, Kalkwasser usw. haben jedoch kaum Einfluss darauf. Im Vergleich zu anderen CelluloseethernHydroxypropylmethylcelluloseDie wässrige Lösung weist eine gute antimikrobielle Stabilität auf. Der Hauptgrund dafür ist, dass Hydroxypropylmethylcellulose hydrophobe Gruppen mit einem hohen Substitutionsgrad und sterischer Hinderung der Gruppen aufweist. Da die Substitutionsreaktion jedoch üblicherweise nicht einheitlich ist, wird die unsubstituierte Anhydroglucoseeinheit sehr leicht von Mikroorganismen angegriffen, was zum Abbau der Celluloseethermoleküle und zur Kettenspaltung führt. Die Wirkung besteht darin, dass die scheinbare Viskosität der wässrigen Lösung abnimmt. Wenn die wässrige Lösung von Hydroxypropylmethylcellulose längere Zeit gelagert werden muss, wird empfohlen, geringe Mengen eines Antimykotikums zuzugeben, sodass sich die Viskosität nicht wesentlich ändert. Bei der Auswahl von Antimykotika, Konservierungsmitteln oder Fungiziden sollten Sie auf die Sicherheit achten und Produkte wählen, die für den menschlichen Körper ungiftig, stabil und geruchsneutral sind, wie z. B. die Fungizide AMICAL von DOW Chem, die Konservierungsmittel CANGUARD64 und die Bakterienmittel FUELSAVER.
Veröffentlichungszeit: 28. April 2024