Гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ)Гидроксипропилметилцеллюлоза представляет собой неионогенный, водорастворимый смешанный эфир целлюлозы. Внешне это белый или слегка желтоватый порошок или гранулированный материал, безвкусный, без запаха, нетоксичный, химически стабильный, растворяется в воде, образуя гладкий, прозрачный и вязкий раствор. Одним из наиболее важных свойств гидроксипропилметилцеллюлозы в применении является повышение вязкости жидкости. Загущающий эффект зависит от степени полимеризации (DP) продукта, концентрации эфира целлюлозы в водном растворе, скорости сдвига, температуры раствора и других факторов.
01
Тип жидкости: водный раствор ГПМЦ
В общем случае напряжение жидкости в сдвиговом потоке может быть выражено как функция только скорости сдвига ƒ(γ), если она не зависит от времени. В зависимости от формы ƒ(γ) жидкости можно разделить на различные типы, а именно: ньютоновские жидкости, дилатантные жидкости, псевдопластичные жидкости и бингамовские пластичные жидкости.
Эфиры целлюлозы делятся на две категории: неионогенные и ионные. Для изучения реологии этих двух типов эфиров целлюлозы С. К. Найк и др. провели всестороннее и систематическое сравнительное исследование растворов гидроксиэтилцеллюлозы и карбоксиметилцеллюлозы натрия. Результаты показали, что как неионогенные, так и ионные растворы эфиров целлюлозы являются псевдопластичными. Течения, то есть неньютоновские течения, приближаются к ньютоновским жидкостям только при очень низких концентрациях. Псевдопластичность раствора гидроксипропилметилцеллюлозы играет важную роль в применении. Например, при нанесении в покрытиях, благодаря характеристикам неньютоновских жидкостей, проявляющимся при увеличении скорости сдвига, вязкость раствора уменьшается с увеличением скорости сдвига, что способствует равномерному диспергированию частиц пигмента, а также повышает текучесть покрытия. Эффект очень велик; в то время как в состоянии покоя вязкость раствора относительно высока, что эффективно предотвращает осаждение частиц пигмента в покрытии.
02
Метод определения вязкости HPMC
Важным показателем для оценки загущающего эффекта гидроксипропилметилцеллюлозы является кажущаяся вязкость водного раствора. Методы измерения кажущейся вязкости обычно включают капиллярный метод, метод ротационной вязкости и метод вязкости падающего шарика.
где: — кажущаяся вязкость, мПа·с; K — постоянная вискозиметра; d — плотность образца раствора при 20/20°C; t — время прохождения раствора через верхнюю часть вискозиметра до нижней метки, с; — время, в течение которого стандартное масло проходит через вискозиметр.
Однако метод измерения с помощью капиллярного вискозиметра более сложен. Вязкость многих веществэфиры целлюлозыАнализ этих растворов с помощью капиллярного вискозиметра затруднен, поскольку они содержат следовые количества нерастворимых веществ, которые обнаруживаются только при засорении капиллярного вискозиметра. Поэтому большинство производителей используют ротационные вискозиметры для контроля качества гидроксипропилметилцеллюлозы. В зарубежных странах широко используются вискозиметры Brookfield, а в Китае — вискозиметры NDJ.
03
Факторы, влияющие на вязкость HPMC
3.1 Связь со степенью агрегации
При неизменных остальных параметрах вязкость раствора гидроксипропилметилцеллюлозы пропорциональна степени полимеризации (DP), молекулярной массе или длине молекулярной цепи и увеличивается с повышением степени полимеризации. Этот эффект более выражен в случае низкой степени полимеризации, чем в случае высокой степени полимеризации.
3.2 Взаимосвязь между вязкостью и концентрацией
Вязкость гидроксипропилметилцеллюлозы возрастает с увеличением концентрации продукта в водном растворе. Даже небольшое изменение концентрации вызовет значительное изменение вязкости. При номинальной вязкости гидроксипропилметилцеллюлозы влияние изменения концентрации раствора на вязкость раствора становится все более очевидным.
3.3 Взаимосвязь между вязкостью и скоростью сдвига
Водный раствор гидроксипропилметилцеллюлозы обладает свойством уменьшения вязкости при увеличении скорости сдвига. Для приготовления 2%-ных водных растворов гидроксипропилметилцеллюлозы с различной номинальной вязкостью измеряли ее вязкость при разных скоростях сдвига. Результаты представлены на рисунке. При низкой скорости сдвига вязкость раствора гидроксипропилметилцеллюлозы существенно не изменялась. С увеличением скорости сдвига вязкость раствора гидроксипропилметилцеллюлозы с более высокой номинальной вязкостью снижалась более заметно, в то время как вязкость раствора с низкой вязкостью существенно не уменьшалась.
3.4 Взаимосвязь между вязкостью и температурой
Вязкость раствора гидроксипропилметилцеллюлозы сильно зависит от температуры. С повышением температуры вязкость раствора уменьшается. Как показано на рисунке, был приготовлен водный раствор с концентрацией 2%, и измерено изменение вязкости с повышением температуры.
3.5 Другие влияющие факторы
Вязкость водного раствора гидроксипропилметилцеллюлозы также зависит от добавок в растворе, значения pH раствора и микробной деградации. Обычно, для достижения лучших показателей вязкости или снижения стоимости использования, необходимо добавлять в водный раствор гидроксипропилметилцеллюлозы модификаторы реологии, такие как глина, модифицированная глина, полимерный порошок, эфир крахмала и алифатический сополимер. Также в водный раствор могут добавляться электролиты, такие как хлорид, бромид, фосфат, нитрат и т.д. Эти добавки влияют не только на вязкостные свойства водного раствора, но и на другие свойства гидроксипропилметилцеллюлозы, такие как водоудержание, сопротивление стеканию и т.д.
Вязкость водного раствора гидроксипропилметилцеллюлозы практически не изменяется под воздействием кислот и щелочей и, как правило, стабильна в диапазоне от 3 до 11. Она может выдерживать определенное количество слабых кислот, таких как муравьиная кислота, уксусная кислота, фосфорная кислота, борная кислота, лимонная кислота и др. Однако концентрированные кислоты снижают вязкость. Но каустическая сода, гидроксид калия, известковая вода и др. оказывают на нее незначительное воздействие. По сравнению с другими эфирами целлюлозы,гидроксипропилметилцеллюлозаВодный раствор обладает хорошей антимикробной стабильностью, основная причина которой заключается в наличии у гидроксипропилметилцеллюлозы гидрофобных групп с высокой степенью замещения и стерическими препятствиями. Однако, поскольку реакция замещения обычно протекает неравномерно, незамещенные ангидроглюкозные звенья наиболее легко разрушаются микроорганизмами, что приводит к деградации молекул эфира целлюлозы и разрыву цепи. В результате снижается кажущаяся вязкость водного раствора. Если необходимо хранить водный раствор гидроксипропилметилцеллюлозы длительное время, рекомендуется добавить небольшое количество противогрибкового средства, чтобы вязкость существенно не изменялась. При выборе противогрибковых средств, консервантов или фунгицидов следует обращать внимание на безопасность и выбирать продукты, нетоксичные для организма человека, обладающие стабильными свойствами и не имеющие запаха, такие как фунгициды AMICAL от DOW Chem, консерванты CANGUARD64, антибактерильные средства FUELSAVER и другие продукты, которые могут сыграть соответствующую роль.
Дата публикации: 28 апреля 2024 г.