La hidroxipropil metilcel·lulosa (HPMC) és un polímer soluble en aigua que s’utilitza habitualment en la indústria, la medicina i els aliments. Una de les principals funcions de l’HPMC en diferents productes és ajustar la viscositat, que s’aconsegueix mitjançant la seva pròpia estructura molecular i la interacció amb dissolvents (normalment aigua).
1. Estructura molecular de HPMC i el seu efecte sobre la viscositat
L’HPMC consisteix en una columna vertebral de cel·lulosa amb substituents de metoxi i hidroxipropil. Les seves cadenes de cel·lulosa porten un gran nombre de grups hidroxil (-oh), que poden formar enllaços d’hidrogen amb molècules d’aigua, millorant així la viscositat de la solució. Els substituents hidroxipropil i metoxi de la molècula HPMC també afecten la seva afinitat i la seva solubilitat amb aigua. A l’aigua, la cadena molecular HPMC pot desplegar i absorbir una gran quantitat d’aigua, augmentant així la viscositat de la solució.
Diferents tipus de HPMC mostraran diferents característiques de viscositat a causa dels seus diferents graus de substitució de metoxi i hidroxipropil. En general, l’HPMC amb un grau més elevat de substitució d’hidroxipropil té una capacitat de creixement de viscositat més forta, mentre que l’HPMC amb un alt contingut de metoxi difereix en la velocitat de dissolució i la sensibilitat a la temperatura. Per tant, l'estructura molecular de HPMC té un impacte directe en el seu efecte creixent de viscositat.
2. Característiques de dissolució i viscositat de HPMC
HPMC té una bona solubilitat en aigua, cosa que li permet augmentar significativament la viscositat en solucions aquoses. A l’aigua, les cadenes moleculars d’HPMC absorbeixen l’aigua i formen una estructura de xarxa estesa, donant lloc a una disminució de la fluïdesa de la solució i un augment de la viscositat. Aquest procés de dissolució és un procés pas a pas i la temperatura i el pH tenen un efecte significatiu en ell. Generalment, HPMC es dissol més ràpidament a temperatures baixes, però la seva viscositat augmenta amb la temperatura creixent. Per tant, com més alta sigui la temperatura de dissolució dins d’un determinat rang, més gran és la viscositat de la solució.
La solubilitat de HPMC també està relacionada amb el valor de pH del medi. En el rang neutre a dèbilment alcalí, HPMC es dissol millor i augmenta la viscositat; Mentre que en condicions àcides o alcalines fortes, s’inhibeix la solubilitat i la viscositat de l’HPMC. Per tant, en diferents productes, la capacitat d’ajust de la viscositat de l’HPMC també ha de tenir en compte el valor de pH del medi.
3. Efecte de la concentració de HPMC sobre la viscositat
La concentració de HPMC és un dels factors clau que afecten la viscositat. A mesura que la concentració de HPMC augmenta, la xarxa de cadena molecular formada a la solució es fa més densa i la viscositat augmenta significativament. A baixes concentracions, la interacció entre les cadenes moleculars HPMC és feble i la viscositat de la solució no canvia gaire. No obstant això, quan la concentració de HPMC assoleix un nivell determinat, la reticulació i l’enredament entre les cadenes moleculars faran que la viscositat augmenti exponencialment.
Els experiments mostren que quan la concentració de HPMC es troba dins d’un rang determinat, la seva viscositat augmenta en proporció directa a la concentració. Tanmateix, quan la concentració és massa alta, les propietats reològiques de la solució canviaran, mostrant pseudoplàstica o tixotropia, i la viscositat disminueix amb l’augment de la taxa de cisalla. Per tant, en aplicacions pràctiques, la quantitat d’HPMC afegida ha de ser controlada raonablement segons les necessitats específiques per assolir la viscositat ideal.
4. Efecte del pes molecular sobre la viscositat
El pes molecular de HPMC és també un factor important per determinar la seva viscositat. Generalment, com més gran sigui el pes molecular de HPMC, més gran és la viscositat de la seva solució. Això es deu al fet que l’HPMC amb un pes molecular gran pot formar cadenes moleculars més llargues i estructures de xarxa més complexes, dificultant així la fluïdesa de la solució i augmentant la viscositat. Per tant, es pot utilitzar HPMC amb diferents pesos moleculars per ajustar els requisits de viscositat de diferents productes.
En algunes aplicacions, l’elecció d’un pes molecular més elevat HPMC pot millorar significativament la consistència del producte, com ara un espessidor en materials de construcció; Mentre que en altres aplicacions, com el camp farmacèutic, és possible que calgui seleccionar un HPMC de baix pes molecular per tal d’ajustar la taxa d’alliberament del fàrmac o millorar el gust.
5. Efecte de la temperatura sobre la viscositat de la solució HPMC
La viscositat de HPMC canvia significativament amb la temperatura. En general, la viscositat de la solució HPMC disminueix a temperatures més altes. Això és degut a que l’alta temperatura destrueix els enllaços d’hidrogen entre molècules HPMC i redueix el grau d’enredament de les cadenes moleculars, reduint així la viscositat de la solució. No obstant això, en alguns casos especials, la viscositat de HPMC pot augmentar en un rang de temperatura determinat, que està estretament relacionat amb la seva estructura molecular i el seu entorn de solució.
A temperatures baixes, la viscositat de la solució HPMC és alta i el moviment de les cadenes moleculars està restringida. Aquesta propietat fa que funcioni bé en aplicacions on cal augmentar la viscositat del producte a temperatures baixes.
6. Efecte de la velocitat de cisalla sobre la viscositat de HPMC
Les solucions HPMC solen presentar característiques d’aprimament de cisalla, és a dir, la viscositat disminueix amb l’augment de la taxa de cisalla. A taxes de cisalla baixes, l'estructura de xarxa de la cadena molecular HPMC és relativament completa, cosa que dificulta la fluïdesa de la solució, mostrant així una viscositat més elevada. No obstant això, a altes taxes de cisalla, es destrueix l’enredament i la reticulació de les cadenes moleculars i la viscositat disminueix. Aquesta propietat s’utilitza àmpliament en indústries com ara materials de construcció, pintures i recobriments i pot millorar l’operació dels productes durant la construcció.
7. Efecte dels additius externs
En moltes aplicacions, HPMC s’utilitza sovint juntament amb altres additius. Diferents tipus d’additius, com ara sals, tensioactius i altres polímers, afectaran la viscositat de l’HPMC. Per exemple, alguns additius de sal poden reduir la viscositat de les solucions HPMC perquè els ions de sal interfereixen amb la interacció entre les cadenes moleculars HPMC i destruir la xarxa d’enllaç d’hidrogen formada. Alguns espessidors poden funcionar sinèrgicament amb HPMC per augmentar la viscositat global de la solució.
Com a espessidor àmpliament utilitzat, l’efecte de l’HPMC sobre la viscositat del producte s’aconsegueix principalment mitjançant els efectes combinats de la seva estructura molecular, concentració, pes molecular, característiques de solubilitat i factors externs com la temperatura, la velocitat de cisalla i els additius. En ajustar raonablement aquests paràmetres de HPMC, es pot assolir un control precís de la viscositat del producte per satisfer les necessitats dels diferents camps d’aplicació.
Posada Posada: 17-2025 de febrer