Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) ist ein nichtionischer Cellulosealkylhydroxyalkyl-Mischether, der durch Alkalisierung, Veretherung, Neutralisierung und Waschen von Cellulose gewonnen wird.
Als nichtionischer Cellulosemischether mit hervorragender Leistung hat HPMC gute Dispergier-, Emulgier-, Verdickungs-, Bindungs-, Wasserrückhalte- und Kleberückhalteeigenschaften wie andere Celluloseether wie CMC, MC, HEC, CMHEC, HEMC und HBMC. Es ist wasserlöslich und löst sich in Ethanol und Aceton zu weniger als 70 % auf. HPMC kann in großem Umfang als Filmüberzug, Mittel zur verzögerten Freisetzung und Klebstoff für pharmazeutische Präparate verwendet werden. Seine verdickenden, dispergierenden und emulgierenden filmbildenden Eigenschaften können auch in der Petrochemie, bei Baumaterialien, Keramik, Textilien, Lebensmitteln, täglichen Chemikalien, synthetischen Harzen, Medizin, Beschichtungen und in der Elektronikindustrie eingesetzt werden.
Die Veretherungsreaktion von HPMC ist ein komplexer, aber faszinierender Prozess. Dabei wird die Hydroxylgruppe (-OH) der Cellulose durch Hydroxypropyl (-OCH₂CHOHCH₃) ersetzt, gefolgt von einer kontinuierlichen Kettenpolymerisation mit Propylenoxid. Theoretisch kann die Hydroxylgruppe der Hydroxypropylgruppe in der Seitenkette kontinuierlich mit Propylenoxid reagieren. Die Reaktion ist jedoch nicht auf die Hydroxylgruppe am Glucosering der Cellulose beschränkt. Methylchlorid kann auch mit der Hydroxylgruppe an der angehängten Hydroxypropylgruppe reagieren, wodurch die Seitenkette und die Hydroxypropylierung beendet werden. Diese Komplexität macht das Herstellungsverfahren von HPMC noch interessanter.
- Kontrolle des Methoxy- und Hydroxypropylgehalts von Hydroxypropylmethylcellulose
Der Methoxy- und Hydroxypropylgehalt und das Verhältnis von HPMC beeinflussen die Wasserlöslichkeit, das Wasserrückhaltevermögen, die Oberflächenaktivität und die Geliertemperatur des Produkts.
HPMC mit hohem Methoxygehalt und niedrigem Hydroxypropylgehalt hat in der Regel eine gute Wasserlöslichkeit, Oberflächenaktivität und eine niedrige Geliertemperatur. Eine Anpassung des Hydroxypropyl-Gehalts und eine Verringerung des Methoxy-Gehalts kann jedoch die Geliertemperatur erhöhen. Es ist wichtig zu beachten, dass ein zu hoher Hydroxypropylgehalt die Geliertemperatur senken, die Wasserlöslichkeit und Oberflächenaktivität verschlechtern und die Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln verbessern kann.
Der Methoxy- und Hydroxypropyl-Gehalt lässt sich vor allem wie folgt kontrollieren und einstellen.
① Änderung der Menge des im Reaktionssystem verwendeten Alkalis. Die Menge an Alkali, die bei der Alkalisierung von Cellulose verwendet wird, wirkt sich direkt auf die Veretherungseffizienz und das Verhältnis der Gruppengehalte des Produkts aus. Generell gilt: Eine hohe Alkalikonzentration oder eine erhöhte Menge an zugesetztem festem Alkali erhöht den Methoxidgehalt des Produkts; eine niedrige Alkalikonzentration oder eine geringere Menge an zugesetztem festem Alkali kann unter den gleichen Prozessbedingungen den Hydroxypropylgehalt des Produkts entsprechend erhöhen. Mit anderen Worten: Der Hydroxypropylgehalt ist umgekehrt proportional zur Alkalikonzentration, und der Methoxidgehalt ist proportional zur Alkalikonzentration.
② Anpassung der Temperaturänderung im Produktionsprozess. In der Veretherungsphase des HPMC-Herstellungsverfahrens sind die wichtigsten Reaktionen die Methylierung und die Hydroxypropylierung. Die für diese beiden Reaktionen erforderlichen Reaktionsbedingungen sind unterschiedlich, und die positiven und negativen Reaktionsgeschwindigkeiten der beiden Reaktionen sind ebenfalls recht unterschiedlich. Diese unterschiedlichen Reaktionsbedingungen und die schwierige Koordination machen die Kontrolle des HPMC-Produktionsprozesses und die Produktstruktur komplexer und unvorhersehbarer. In Verbindung mit den Anforderungen an den Produktindex, der vollständigen Berücksichtigung der strukturellen Eigenschaften der Ausrüstung und der quantitativen Analyse und Prüfung auf der Grundlage einer großen Anzahl von praktischen Erfahrungen ist es möglich, den Prozess vernünftig zu steuern, die Formel anzupassen und die gewünschte Wirkung zu erzielen.
Im Allgemeinen kann die Hydroxypropylierungsreaktion bei etwa 30°C durchgeführt werden, und die Reaktionsgeschwindigkeit ist bei 50°C stark beschleunigt; die Methylierungsreaktion ist bei 60°C langsam und bei unter 50°C noch schwächer. Entsprechend dem Unterschied in der Reaktionstemperatur der beiden wird normalerweise eine bestimmte Temperatur gesteuert, um eine bestimmte Reaktion zur Hauptreaktion zu machen, wie z.B. das Halten einer konstanten Temperatur bei 50-60°C für einige Zeit, hauptsächlich für die Hydroxypropylierungsreaktion. Dann wird die Erhitzungsgeschwindigkeit so gesteuert, dass die zweite Veretherungsreaktion, die von der Methylierungsreaktion dominiert wird, innerhalb eines bestimmten Zeitraums abläuft, und die Reaktionszeit wird so gesteuert, dass ein Gleichgewicht zwischen der Methoxylgruppe und der Hydroxypropylgruppe erreicht wird und ein Produkt mit einer angemessenen Struktur entsteht. Diese mehrstufige Steuerungstechnologie trägt auch zur Verringerung von Nebenreaktionen und Nachbearbeitungen bei.
③ Die Menge des zugesetzten Veretherungsmittels Unter den festgelegten Prozessbedingungen haben die Menge der Veretherungsmittel Methylchlorid und Propylenoxid sowie das Verhältnis der beiden einen direkten und spürbaren Einfluss auf die Methoxy- und Hydroxypropylwerte des Produkts. Konstante Reaktionsbedingungen, unverändertes Verhältnis, Erhöhung des Gehalts an Veretherungsmittel, Verbesserung des Gehalts an Substituentengruppen, Methoxy- und Hydroxypropylwerte sind innerhalb eines bestimmten Bereichs konstant; Änderung des Verhältnisses, Erhöhung des Gehalts an einem Veretherungsmittel, der entsprechende Gehalt an Substituentengruppen steigt, und der Gehalt der anderen Substituentengruppe sinkt.
Unsere Forschungsergebnisse unterstreichen die Bedeutung der zugesetzten Mengen an Methylchlorid und Propylenoxid. Sie ermöglichen es uns, den Methoxy- und Hydroxypropylgehalt des Produkts in einem Bereich von 4 % bis 12 % zu steuern, was wertvolle Erkenntnisse für den Produktionsprozess liefert.
- Kontrolle der Viskosität und Reinheit von Hydroxypropylmethylcellulose
Je nach den Anwendungsanforderungen an das Produkt werden an HPMC in der Regel hohe Anforderungen an Viskosität und Reinheit gestellt.Bei gleichem Substitutionsgrad hat die Viskosität einen besonderen Einfluss auf die Geltemperatur: niedrige Viskosität bedeutet hohe Geltemperatur, hohe Viskosität bedeutet niedrige Geltemperatur. Wenn die anderen Indikatoren gleich sind, hat auch die Reinheit des Produkts einen besonderen Einfluss auf die Geltemperatur. Ist der Salzgehalt hoch, sinkt die Geltemperatur des Produkts.Die Einstellung der Reinheit von HPMC durch den Waschprozess ist ein kritischer Schritt im Produktionsprozess. Um die Viskosität zu erhöhen, können hochpolymerisierte Zellulose-Rohstoffe verwendet, Antioxidantien zugesetzt, die Luft evakuiert und Stickstoff zum Schutz eingefüllt werden. Die Viskosität des Produkts kann auch durch Mikrovernetzung des Endprodukts erhöht werden. Um die Viskosität des Produkts zu verringern, können Cellulose-Rohstoffe mit niedriger Polymerisation verwendet werden, während des Alkalisierungs- oder Veretherungsprozesses können Oxidationsmittel zugesetzt werden, und die Viskosität kann auch durch Bestrahlung verringert werden.
