Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC)Es handelt sich um einen nichtionischen, wasserlöslichen Cellulose-Mischether. Er erscheint als weißes bis leicht gelbliches Pulver oder Granulat, ist geschmacks- und geruchlos, ungiftig, chemisch stabil und löst sich in Wasser zu einer glatten, transparenten und viskosen Lösung. Eine der wichtigsten Eigenschaften von Hydroxypropylmethylcellulose in der Anwendung ist die Erhöhung der Viskosität von Flüssigkeiten. Der Verdickungseffekt hängt vom Polymerisationsgrad (DP) des Produkts, der Konzentration des Cellulose-Ethers in der wässrigen Lösung, der Schergeschwindigkeit und der Lösungstemperatur sowie weiteren Faktoren ab.
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Flüssigkeitstyp der wässrigen HPMC-Lösung
Im Allgemeinen lässt sich die Spannung eines Fluids in Scherströmung als Funktion der Schergeschwindigkeit ƒ(γ) ausdrücken, sofern diese nicht zeitabhängig ist. Je nach 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 und ionische Celluloseether. SC Naik et al. führten eine umfassende und systematische Vergleichsstudie zur Rheologie dieser beiden Celluloseethertypen an Hydroxyethylcellulose- und Natriumcarboxymethylcellulose-Lösungen durch. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl nichtionische als auch ionische Celluloseetherlösungen pseudoplastisch sind. Das Fließverhalten, d. h. nicht-Newtonsches Fließen, nähert sich dem von Newtonschen Flüssigkeiten erst bei sehr niedrigen Konzentrationen an. Die Pseudoplastizität von Hydroxypropylmethylcellulose-Lösungen spielt eine wichtige Rolle für die Anwendung. Beispielsweise nimmt bei der Anwendung in Beschichtungen aufgrund der strukturviskosen Eigenschaften wässriger Lösungen die Viskosität der Lösung mit zunehmender Schergeschwindigkeit ab. Dies begünstigt die gleichmäßige Verteilung von Pigmentpartikeln und erhöht die Fließfähigkeit der Beschichtung. Dieser Effekt ist sehr ausgeprägt. Im Ruhezustand ist die Viskosität der Lösung hingegen relativ hoch, wodurch die Ablagerung von Pigmentpartikeln in der Beschichtung wirksam verhindert wird.
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HPMC-Viskositätsprüfverfahren
Ein wichtiger Indikator zur Messung der Verdickungswirkung von Hydroxypropylmethylcellulose ist die scheinbare Viskosität der wässrigen Lösung. Zu den gängigen Messmethoden der scheinbaren Viskosität zählen die Kapillarviskositätsmethode, die Rotationsviskositätsmethode und die Kugelfallmethode.
wobei: die scheinbare Viskosität in mPa s ist; K die Viskosimeterkonstante ist; d die Dichte der Lösungsprobe bei 20/20°C ist; t die Zeit ist, die die Lösung benötigt, um den oberen Teil des Viskosimeters bis zur unteren Markierung zu durchlaufen, in s; Die Zeit, die das Standardöl zum Durchfließen des Viskosimeters benötigt, wird gemessen.
Die Messung mit einem Kapillarviskosimeter ist jedoch aufwendiger. Die Viskositäten vielerCelluloseetherDie Analyse dieser Lösungen mit einem Kapillarviskosimeter ist schwierig, da sie Spuren unlöslicher Bestandteile enthalten, die erst bei Verstopfung des Kapillarviskosimeters nachweisbar sind. Daher verwenden die meisten Hersteller Rotationsviskosimeter zur Qualitätskontrolle von Hydroxypropylmethylcellulose. Im Ausland sind Brookfield-Viskosimeter weit verbreitet, in China hingegen NDJ-Viskosimeter.
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Einflussfaktoren der HPMC-Viskosität
3.1 Zusammenhang mit dem Aggregationsgrad
Bei ansonsten unveränderten Parametern ist die Viskosität einer Hydroxypropylmethylcellulose-Lösung proportional zum Polymerisationsgrad (DP) bzw. zum Molekulargewicht oder zur Molekülkettenlänge und steigt mit zunehmendem Polymerisationsgrad. Dieser Effekt ist bei niedrigem Polymerisationsgrad stärker ausgeprägt als bei hohem.
3.2 Zusammenhang zwischen Viskosität und Konzentration
Die Viskosität von Hydroxypropylmethylcellulose steigt mit zunehmender Konzentration des Produkts in der wässrigen Lösung. Bereits geringe Konzentrationsänderungen bewirken eine deutliche Viskositätsänderung. Mit steigender Konzentrationsänderung wird der Einfluss der Lösungskonzentration auf die Viskosität der Hydroxypropylmethylcellulose immer deutlicher.
3.3 Zusammenhang zwischen Viskosität und Schergeschwindigkeit
Wässrige Hydroxypropylmethylcellulose-Lösungen weisen strukturviskoses Verhalten auf. Hydroxypropylmethylcellulose mit unterschiedlichen nominellen Viskositäten wurde in 2%iger wässriger Lösung hergestellt und deren Viskosität bei verschiedenen Scherraten gemessen. Die Ergebnisse sind in der Abbildung dargestellt. Bei niedriger Scherrate änderte sich die Viskosität der Hydroxypropylmethylcellulose-Lösung nicht signifikant. Mit zunehmender Scherrate sank die Viskosität der Lösungen mit höherer nomineller Viskosität deutlich stärker, während die Viskosität der Lösungen mit niedrigerer Viskosität kaum abnahm.
3.4 Zusammenhang zwischen Viskosität und Temperatur
Die Viskosität der Hydroxypropylmethylcellulose-Lösung wird stark von der Temperatur beeinflusst. Mit steigender Temperatur nimmt die Viskosität der Lösung ab. Wie in der Abbildung dargestellt, wurde eine wässrige Lösung mit einer Konzentration von 2 % hergestellt und die Viskositätsänderung mit steigender Temperatur gemessen.
3.5 Weitere Einflussfaktoren
Die Viskosität wässriger Hydroxypropylmethylcellulose-Lösungen wird durch Additive, den pH-Wert und mikrobiellen Abbau beeinflusst. Um die Viskosität zu verbessern oder die Kosten zu senken, werden üblicherweise Rheologiemodifikatoren wie Ton, modifizierter Ton, Polymerpulver, Stärkeether und aliphatische Copolymere zugesetzt. Auch Elektrolyte wie Chlorid, Bromid, Phosphat und Nitrat können beigemischt werden. Diese Additive beeinflussen nicht nur die Viskosität, sondern auch weitere Anwendungseigenschaften der Hydroxypropylmethylcellulose, wie z. B. Wasserretention und Standfestigkeit.
Die Viskosität wässriger Hydroxypropylmethylcellulose-Lösungen wird durch Säuren und Laugen kaum beeinflusst und liegt im Allgemeinen stabil im Bereich von 3 bis 11. Sie ist gegenüber schwachen Säuren wie Ameisensäure, Essigsäure, Phosphorsäure, Borsäure, Zitronensäure usw. bis zu einem gewissen Grad beständig. Konzentrierte Säuren hingegen verringern die Viskosität. Natronlauge, Kaliumhydroxid, Kalkwasser usw. haben dagegen nur geringen Einfluss. Im Vergleich zu anderen Celluloseethern…HydroxypropylmethylcelluloseWässrige Lösungen weisen eine gute antimikrobielle Stabilität auf. Dies ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass Hydroxypropylmethylcellulose hydrophobe Gruppen mit hohem Substitutionsgrad und sterischer Hinderung besitzt. Da die Substitutionsreaktion jedoch üblicherweise nicht gleichmäßig verläuft, wird die unsubstituierte Anhydroglucoseeinheit am leichtesten von Mikroorganismen angegriffen, was zum Abbau von Celluloseethermolekülen und Kettenspaltung führt. Dies äußert sich in einer Abnahme der scheinbaren Viskosität der wässrigen Lösung. Sollte eine längere Lagerung der wässrigen Hydroxypropylmethylcellulose-Lösung erforderlich sein, empfiehlt sich die Zugabe einer geringen Menge eines Antimykotikums, um signifikante Viskositätsänderungen zu vermeiden. Bei der Auswahl von Antimykotika, Konservierungsmitteln oder Fungiziden ist auf die Sicherheit zu achten. Es sollten ungiftige, stabile und geruchslose Produkte gewählt werden, wie beispielsweise die Fungizide AMICAL von DOW Chem, die Konservierungsmittel CANGUARD64 und die Bakterienbekämpfungsmittel FUELSAVER.
Veröffentlichungsdatum: 28. April 2024