هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز (HPMC) مشتق مهم من إيثر السليلوز، ويُستخدم على نطاق واسع في العديد من المجالات الصناعية نظرًا لخصائصه الفيزيائية والكيميائية الفريدة. تُعد خصائص اللزوجة من أهم خصائص HPMC، حيث تؤثر بشكل مباشر على أدائه في مختلف التطبيقات.
1. الخصائص الأساسية لـ HPMC
HPMC هو إيثر سليلوز غير أيوني، يُحصل عليه باستبدال جزء من مجموعات الهيدروكسيل (–OH) في جزيء السليلوز بمجموعات ميثوكسي (–OCH3) ومجموعات هيدروكسي بروبيل (–OCH2CH(OH)CH3). يتميز بذوبان جيد في الماء وبعض المذيبات العضوية، مُشكلاً محاليل غروانية شفافة. تُحدد لزوجة HPMC بشكل أساسي بوزنها الجزيئي، ودرجة الاستبدال (DS، درجة الاستبدال)، وتوزيع المُستبدلات.
2. تحديد اللزوجة لـ HPMC
تُقاس لزوجة محاليل HPMC عادةً باستخدام مقياس لزوجة دوار أو مقياس لزوجة شعري. عند القياس، يجب مراعاة تركيز المحلول ودرجة حرارته ومعدل قصه، إذ تؤثر هذه العوامل بشكل كبير على قيمة اللزوجة.
تركيز المحلول: تزداد لزوجة مركبات HPMC بزيادة تركيز المحلول. عندما ينخفض تركيز محلول HPMC، يضعف التفاعل بين الجزيئات وتنخفض اللزوجة. مع زيادة التركيز، يزداد التشابك والتفاعل بين الجزيئات، مما يؤدي إلى زيادة ملحوظة في اللزوجة.
درجة الحرارة: لزوجة محاليل HPMC حساسة جدًا لدرجة الحرارة. عمومًا، مع ارتفاع درجة الحرارة، تنخفض لزوجة محلول HPMC. ويعود ذلك إلى أن ارتفاع درجة الحرارة يؤدي إلى زيادة الحركة الجزيئية وضعف التفاعلات بين الجزيئات. تجدر الإشارة إلى أن HPMC، بدرجات استبدال وأوزان جزيئية مختلفة، تختلف حساسيتها لدرجة الحرارة.
معدل القص: تُظهر محاليل HPMC سلوكًا شبه بلاستيكي (ترقق القص)، أي أن اللزوجة تكون أعلى عند معدلات قص منخفضة وتنخفض عند معدلات قص عالية. ويعود هذا السلوك إلى قوى القص التي تُحاذي السلاسل الجزيئية على طول اتجاه القص، مما يُقلل من التشابك والتفاعلات بين الجزيئات.
3. العوامل المؤثرة على لزوجة HPMC
الوزن الجزيئي: يُعد الوزن الجزيئي لـ HPMC أحد العوامل الرئيسية التي تحدد لزوجته. وبشكل عام، كلما زاد الوزن الجزيئي، زادت لزوجة المحلول. ويرجع ذلك إلى أن جزيئات HPMC ذات الوزن الجزيئي العالي تكون أكثر عرضة لتكوين شبكات متشابكة، مما يزيد من الاحتكاك الداخلي للمحلول.
درجة الاستبدال وتوزيع المُستبدلات: يؤثر عدد وتوزيع مُستبدلات الميثوكسي والهيدروكسي بروبيل في مُركّب HPMC على لزوجته. عمومًا، كلما ارتفعت درجة استبدال الميثوكسي (DS)، انخفضت لزوجة مُركّب HPMC، لأن إضافة مُستبدلات الميثوكسي تُقلّل من قوة الرابطة الهيدروجينية بين الجزيئات. كما أن إضافة مُستبدلات الهيدروكسي بروبيل تزيد من التفاعلات بين الجزيئات، مما يزيد اللزوجة. بالإضافة إلى ذلك، يُساعد التوزيع المُنتظم للمُستبدلات على تكوين نظام محلول مستقر وزيادة لزوجته.
قيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول: على الرغم من أن HPMC عبارة عن بوليمر غير أيوني ولا تتأثر لزوجته بالتغيرات في قيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول، إلا أن قيم الرقم الهيدروجيني المتطرفة (حمضية جدًا أو قلوية جدًا) قد تسبب تدهورًا في البنية الجزيئية لـ HPMC، وبالتالي تؤثر على اللزوجة.
4. مجالات تطبيق HPMC
بفضل خصائص اللزوجة الممتازة، يتم استخدام HPMC على نطاق واسع في العديد من المجالات:
مواد البناء: في مواد البناء، يتم استخدام HPMC كمكثف وعامل احتجاز للماء لتحسين أداء البناء وزيادة مقاومة الشقوق.
صناعة الأدوية: في صناعة الأدوية، يتم استخدام HPMC كمادة رابطة للأقراص، وعامل تشكيل فيلم للكبسولات وناقل للأدوية ذات الإطلاق المستمر.
صناعة الأغذية: يستخدم HPMC كمكثف ومثبت في صناعة الأغذية لإنتاج الآيس كريم والهلام ومنتجات الألبان.
المنتجات الكيميائية اليومية: في المنتجات الكيميائية اليومية، يتم استخدام HPMC كمكثف ومثبت لإنتاج الشامبو، وهلام الاستحمام، ومعجون الأسنان، وما إلى ذلك.
تُعدّ خصائص اللزوجة لـ HPMC أساس أدائها الممتاز في مختلف التطبيقات. ومن خلال التحكم في الوزن الجزيئي، ودرجة الاستبدال، وظروف المحلول، يُمكن تعديل لزوجتها لتلبية احتياجات التطبيقات المختلفة. وفي المستقبل، سيساعد البحث المتعمق في العلاقة بين البنية الجزيئية لـ HPMC واللزوجة على تطوير منتجات HPMC ذات أداء أفضل، وتوسيع مجالات تطبيقها بشكل أكبر.
وقت النشر: ٢٠ يوليو ٢٠٢٤