Définition rapide
Hydroxypropylméthylcellulose (HPMC) est un éther de cellulose semi-synthétique, soluble dans l'eau, dérivé de la cellulose naturelle. Il est produit en modifiant chimiquement la fibre végétale (coton raffiné ou pulpe de bois) avec des groupes méthyle et hydroxypropyle. Le résultat est une poudre blanche à blanc cassé qui se dissout dans l'eau froide pour former une solution claire et visqueuse.
Le HPMC est également appelé par d'autres noms, en fonction du secteur d'activité :
- HypromelloseNom pharmaceutique : nom pharmaceutique utilisé dans la pharmacopée des États-Unis (USP), la pharmacopée européenne (EP) et la pharmacopée japonaise (JP).
- E464Code des additifs alimentaires : le code des additifs alimentaires utilisé dans l'Union européenne
- Numéro CAS 9004-65-3le numéro de registre du Chemical Abstracts Service
Le HPMC a quatre fonctions essentielles : épaississement, rétention d'eau, formation d'un film et adhérence. Ces fonctions en font l'un des produits les plus utilisés. éthers de cellulose dans le monde, avec un marché mondial évalué à environ 1,87 milliard de dollars en 2021 et qui devrait croître à un TCAC de 4,8% jusqu'en 2030 (Grand View Research).
Comment le HPMC est-il fabriqué ?
L'HPMC est d'abord de la cellulose naturelle, le principal composant structurel des parois cellulaires des plantes. Le processus de production transforme la fibre de cellulose brute en un polymère fonctionnel par une série de réactions chimiques.
Étape 1 : raffinage et broyage de la cellulose. Le linter de coton brut ou la pâte de bois sont purifiés pour éliminer la lignine, l'hémicellulose et d'autres impuretés. La cellulose purifiée est ensuite broyée en une fine poudre afin d'augmenter sa surface pour l'étape suivante.
Étape 2 : Alcalinisation (mercerisation). La poudre de cellulose est traitée avec une solution concentrée d'hydroxyde de sodium (NaOH). Ce traitement produit de la cellulose alcaline, qui gonfle la structure de la fibre et rend les groupes hydroxyles de la chaîne de cellulose plus réactifs.
Étape 3 : éthérification. C'est à cette étape que le HPMC doit son nom. Deux réactifs réagissent avec la cellulose alcaline :
- Chlorure de méthyle (CH₃Cl) introduit des groupes méthyles (-CH₃) sur le squelette de la cellulose. Cette substitution produit la partie “méthyle” de l'hydroxypropylméthylcellulose.
- Oxyde de propylène (C₃H₆O) introduit des groupes hydroxypropyle (-OCH₂CH(OH)CH₃) sur le squelette de la cellulose. Cette substitution produit la partie “hydroxypropyle”.
Le rapport et l'étendue de ces substitutions déterminent les performances du produit final. Différentes combinaisons permettent d'obtenir différentes qualités de HPMC.
Étape 4 : Neutralisation et purification. Le mélange réactionnel est neutralisé à l'aide d'un acide, puis lavé à plusieurs reprises à l'eau chaude pour éliminer les sels, les sous-produits et les produits chimiques n'ayant pas réagi. Cette étape de purification est particulièrement importante pour le HPMC de qualité pharmaceutique et alimentaire, où les niveaux de solvants résiduels sont strictement réglementés.
Étape 5 : Séchage, broyage et criblage. Le HPMC purifié est séché, broyé jusqu'à obtention d'une taille de particule spécifique et passé à travers des tamis pour garantir une distribution uniforme des particules. Le produit fini est une poudre blanche ou blanc cassé qui s'écoule librement.
L'ensemble du processus se déroule dans des conditions de température et de pression contrôlées. Le degré de substitution, la viscosité et la taille des particules sont tous contrôlés à ce stade.
Propriétés clés qui comptent pour les acheteurs
Il n'est pas nécessaire d'être diplômé en chimie pour acheter du HPMC de manière efficace. Mais vous devez comprendre les propriétés qui influencent la façon dont il fonctionne dans votre application.
Solubilité dans l'eau. L'HPMC se dissout dans l'eau froide pour former une solution visqueuse claire ou légèrement trouble. Il ne se dissout pas dans l'eau chaude. Il ne s'agit pas d'un défaut. Il s'agit d'une caractéristique appelée gélification thermique, expliquée ci-dessous.
Gélification thermique. Lorsqu'une solution d'HPMC est chauffée au-delà d'une certaine température (typiquement 60-90°C, selon le grade), les chaînes de polymères s'effondrent et forment un réseau de gel. La solution devient trouble et la viscosité augmente fortement. Lorsque la solution refroidit en dessous de la température du gel, elle revient à son état dissous d'origine. Ce comportement réversible est important dans les applications de construction où les températures ambiantes sont élevées, et dans les formulations pharmaceutiques à libération contrôlée où la formation de gel contrôle les taux de libération du médicament.
Viscosité. L'HPMC est disponible dans une large gamme de grades de viscosité, allant d'environ 3 mPa-s à 200 000 mPa-s (mesuré en tant que solution aqueuse 2% à 20°C). Une viscosité plus élevée signifie des solutions plus épaisses, une meilleure résistance à l'affaissement et une meilleure rétention d'eau. Une viscosité plus faible facilite le mélange, l'écoulement et le nivellement. La viscosité dont vous avez besoin dépend de votre application.
Caractère non ionique. L'HPMC ne porte pas de charge électrique en solution. Cela signifie qu'il ne réagit pas avec les ions présents dans le système, tels que les sels de calcium, de sodium ou de potassium. Il est compatible avec une large gamme d'électrolytes, de surfactants et d'autres additifs. Sa plage de stabilité du pH est d'environ 3,0 à 11,0.
Formation du film. Lorsqu'une solution d'HPMC sèche, elle forme un film transparent et flexible. Ce film résiste aux huiles et aux graisses mais est perméable à la vapeur d'eau. Dans les revêtements pharmaceutiques, cette propriété permet une libération contrôlée. Dans la construction, elle contribue à l'adhésion et à la rétention d'eau à l'interface du substrat.
Activité de surface. Le HPMC réduit la tension superficielle de l'eau. Cela améliore le mouillage et la dispersion des poudres et des pigments dans les systèmes à base de ciment, les peintures et les produits de soins personnels.
Explication des grades de HPMC : DS, MS et Viscosité
Lorsque vous consultez une fiche de spécification de l'HPMC, vous verrez des chiffres pour le DS, le MS et la viscosité. Voici ce qu'ils signifient.
Degré de substitution (DS) et substitution molaire (MS)
DS (Degré de substitution) désigne le nombre moyen de groupes méthyles (-OCH₃) attachés à chaque unité d'anhydroglucose dans la chaîne de cellulose. Le DS maximal possible est de 3,0 (les trois positions hydroxyle disponibles sont substituées). Les valeurs typiques du DS de l'HPMC sont comprises entre 0,6 et 1,8.
MS (Substitution molaire) désigne le nombre moyen de groupes hydroxypropyle (-OCH₂CH(OH)CH₃) attachés à chaque unité d'anhydroglucose. Contrairement à la DS, le MS peut dépasser 3,0 car les groupes hydroxypropyle peuvent s'attacher les uns aux autres dans de courtes chaînes latérales. Les valeurs typiques de MS de l'HPMC sont comprises entre 0,1 et 0,3.
La combinaison de la DS et de la MS détermine le comportement fondamental de l'HPMC. Une teneur en méthoxyles plus élevée (DS plus élevé) augmente l'hydrophobie et abaisse la température du gel. Une teneur plus élevée en hydroxypropoxyles (MS plus élevé) augmente l'hydrophilie et élève la température du gel. Ces deux paramètres agissent en opposition et les fabricants les ajustent pour produire des qualités destinées à différentes applications.
Types de substitutions USP
La United States Pharmacopeia classe l'HPMC en quatre types de substitution en fonction de leur teneur en méthoxyles et en hydroxypropoxyles :
| Type USP | Méthoxyle (%) | Hydroxypropoxyl (%) | Utilisation typique |
|---|---|---|---|
| 1828 | 16.5-20.0 | 23.0-32.0 | Enrobage de film, libération prolongée |
| 2208 | 19.0-24.0 | 4.0-12.0 | Liant pour comprimés, épaississant |
| 2906 | 27.0-30.0 | 4.0-7.5 | Matrice à libération contrôlée |
| 2910 | 28.0-30.0 | 7.0-12.0 | Produits pharmaceutiques à usage général, gélules |
Le numéro à quatre chiffres code les données de substitution. Les deux premiers chiffres représentent la teneur approximative en méthoxyle et les deux derniers la teneur approximative en hydroxypropoxyle. Par exemple, le type 2910 contient environ 29% de méthoxyle et environ 10% d'hydroxypropoxyle.
Si vous vous approvisionnez en HPMC pour des applications pharmaceutiques, le type USP est une spécification obligatoire. Pour les applications industrielles et de construction, les fabricants utilisent souvent des conventions de dénomination différentes.
Les grades de viscosité et leur lecture
La viscosité est la spécification la plus couramment citée pour le HPMC dans les applications industrielles et de construction. Elle est mesurée comme la viscosité d'une solution aqueuse de 2% à 20°C, exprimée en millipascal-secondes (mPa-s).
| Grade de viscosité | Plage de viscosité (mPa-s, solution 2%) | Application typique |
|---|---|---|
| 5 (ou 5 cps) | 3-7 | Composés autonivelants, revêtement de film à faible viscosité |
| 15 | 12-18 | Enduit pulvérisé autolissant |
| 50 | 40-60 | Colle à carrelage (grand format), mastic de jointoiement |
| 100 | 80-120 | Colle à carrelage, enduit intérieur |
| 400 | 300-500 | Colle à carrelage, mastic mural, enduit extérieur |
| 4,000 | 3,000-5,000 | Mastic mural, enduit de rebouchage, enduit à pellicule épaisse |
| 15,000 | 12,000-18,000 | Mastic mural, enduit à base de ciment |
| 40,000 | 35,000-45,000 | Mortier épais, enduit lourd |
| 100,000 | 80,000-120,000 | Colle à carreaux en couche épaisse, système d'isolation extérieure |
Les fabricants utilisent différentes conventions de dénomination. Par exemple, “HPMC 15M” ou “HPMC 150 000” fait généralement référence à un grade ayant une viscosité d'environ 15 000 mPa-s. Confirmez toujours la méthode d'essai et la concentration lorsque vous comparez des grades provenant de différents fournisseurs, car une solution de 1,5% et une solution de 2% donneront des lectures de viscosité différentes pour le même produit.
A quoi sert le HPMC
Le HPMC est utilisé dans de nombreuses industries. Le marché mondial est dominé par la construction, qui représente la plus grande part de la demande, mais les produits pharmaceutiques, l'alimentation et les soins personnels sont également des segments importants.
Construction et matériaux de construction
La construction est le plus grand segment d'utilisation finale de l'HPMC, représentant plus de 40% de la demande mondiale. Dans les matériaux de construction à base de ciment et de gypse, le HPMC est principalement utilisé pour épaissir, retenir l'eau et améliorer la maniabilité.
Les applications les plus courantes sont les suivantes
- Colle à carrelage et coulis: L'HPMC améliore le temps ouvert (la durée pendant laquelle la colle reste utilisable), ajuste la consistance et empêche l'eau d'être absorbée trop rapidement par le substrat ou le carreau. Pour les colles à carrelage C1 et C2 selon la norme EN 12004, le HPMC est un ingrédient standard à raison de 0,2-0,5% en poids.
- Enduit extérieur et plâtre: Le HPMC retient l'eau dans l'enduit suffisamment longtemps pour permettre une bonne hydratation du ciment. Cela réduit la fissuration et améliore la résistance de l'adhérence. Dans les climats chauds, des grades à viscosité plus élevée sont utilisés pour compenser l'évaporation plus rapide.
- Mastic mural et couche de finition: Le HPMC assure une résistance à l'affaissement, une application en douceur et un séchage correct. Les grades de viscosité de 40 000 à 100 000 mPa-s sont courants.
- Composés autolissants: Le HPMC à faible viscosité (5-15 mPa-s) permet de retenir l'eau sans trop épaissir le mélange. Le composé doit pouvoir s'écouler librement.
- Mortier de ciment et maçonnerie: Le HPMC améliore la maniabilité, réduit la demande en eau et prolonge le temps de travail.
Produits pharmaceutiques et suppléments
Dans la fabrication de produits pharmaceutiques, le HPMC est connu sous son nom de pharmacopée hypromellose. C'est l'un des excipients les plus utilisés dans l'industrie.
- Enrobage des comprimés: Le HPMC forme des films transparents et flexibles qui protègent les comprimés de l'humidité et masquent le goût. Les types 2910 et 2208 sont couramment utilisés.
- Comprimés matriciels à libération prolongée: Le HPMC s'hydrate et forme une couche de gel qui contrôle la vitesse à laquelle le médicament est libéré. Les types 2208 et 2906 sont préférés pour cette application car leur poids moléculaire plus élevé produit une barrière de gel plus solide.
- Capsules dures: Les gélules végétariennes en HPMC (au lieu de la gélatine) sont de plus en plus populaires auprès des consommateurs qui évitent les produits d'origine animale. Les gélules en HPMC sont également plus stables dans les environnements à faible humidité.
- Collyres et larmes artificielles: L'hypromellose à faible viscosité est utilisée comme lubrifiant dans les solutions ophtalmiques.
Le HPMC de qualité pharmaceutique doit répondre aux exigences de la monographie de la pharmacopée concernée (USP, EP, JP). La pureté, les niveaux de solvants résiduels et les limites microbiennes sont strictement contrôlés.
Industrie alimentaire
Le HPMC est approuvé comme additif alimentaire dans l'Union européenne (E464) et aux États-Unis (FDA 21 CFR 172.874). Dans l'alimentation, il est utilisé comme épaississant, émulsifiant, stabilisant et gélifiant.
- Pâtisserie sans gluten: Le HPMC imite certaines des propriétés viscoélastiques du gluten dans les pâtes à pain et à pâtisserie, améliorant ainsi le volume et la texture.
- Aliments surgelés: L'HPMC empêche la formation de cristaux de glace et la synerèse (séparation de l'eau) pendant les cycles de congélation-décongélation.
- Sauces et assaisonnements: Le HPMC apporte de la viscosité et empêche la séparation des phases dans les émulsions huile dans eau.
- Les substituts de viande à base de plantes: Le HPMC aide à lier l'eau et la graisse, améliorant ainsi la texture de produits tels que les hamburgers végétaux et les saucisses à base de plantes.
Le HPMC de qualité alimentaire doit répondre à des normes de pureté spécifiques concernant les métaux lourds, les solvants résiduels et la contamination microbienne.
Soins personnels et cosmétiques
Dans les cosmétiques et les soins personnels, le HPMC sert d'épaississant, de filmogène et de stabilisateur.
- Shampooing et gel douche: HPMC ajuste la viscosité et améliore la sensation du produit sur la peau et les cheveux.
- Lotions et crèmes: HPMC stabilise les émulsions et procure une sensation lisse et non grasse.
- Dentifrice: Le HPMC contribue à la texture et à la fixation de l'eau, empêchant la pâte de se dessécher.
Le HPMC de qualité cosmétique ne fait pas l'objet d'une norme pharmacopée formelle, mais il doit être conforme aux réglementations relatives aux ingrédients cosmétiques (règlement européen sur les cosmétiques, monographie OTC de la FDA) et est généralement répertorié sous le nom INCI “Hydroxypropyl Methylcellulose”.”
HPMC vs autres éthers de cellulose
L'HPMC n'est pas le seul éther de cellulose sur le marché. Si vous ne connaissez pas cette catégorie, il est utile de comprendre comment l'HPMC se compare aux autres types courants.
| Propriété | HPMC | HEMC (MHEC) | HEC | MC (méthylcellulose) |
|---|---|---|---|---|
| Nom complet | Hydroxypropylméthylcellulose | Hydroxyéthylméthylcellulose | Hydroxyéthylcellulose | Méthylcellulose |
| Groupes de substitution | Méthyle + hydroxypropyle | Méthyle + hydroxyéthyle | Hydroxyéthyle uniquement | Méthyle uniquement |
| Plage de viscosité (mPa-s, 2%) | 3-200,000 | 3,500-100,000 | 200-15,000 | 3-200,000 |
| Température du gel (°C) | 60-90 | 65-75 | Ne gèle pas | 50-70 |
| Rétention d'eau | Bon | Mieux | Modéré | Bon |
| Tolérance au sel | Bon | Bon | Pauvre | Bon |
| Principales applications | Construction, pharmacie, alimentation | Construction (enduit, plâtre) | Peinture, cosmétiques, champs pétrolifères | Construction, alimentation, pharmacie |
HPMC vs HEMC: Il s'agit dans les deux cas de dérivés de la méthylcellulose auxquels on a ajouté un second substituant. L'HPMC utilise des groupes hydroxypropyle, tandis que l'HEMC utilise des groupes hydroxyéthyle. Dans la construction, l'HEMC a généralement une meilleure rétention d'eau et une température de gel légèrement plus élevée, ce qui le rend préférable pour les enduits en climat chaud. Le HPMC présente une gamme de viscosité plus large et un coût moins élevé. De nombreux formulateurs utilisent les deux dans le même produit.
HPMC vs HEC: Le HEC ne contient pas de groupes méthyles et ne présente pas de gélification thermique. C'est l'épaississant préféré dans les peintures et les cosmétiques à base d'eau en raison de son excellente clarté et de sa compatibilité avec les glycols et les surfactants. Le HEC tolère mal les sels, il est donc rarement utilisé dans les systèmes à base de ciment où des ions calcium sont présents.
HPMC vs MC: La méthylcellulose n'a que des substituants méthyles (pas de groupes hydroxypropyles). La température de gel de la MC est plus basse (50-70°C) que celle de l'HPMC, ce qui limite son utilisation dans les environnements chauds. Le MC est moins courant dans la construction et plus courant dans les applications alimentaires et pharmaceutiques.
Comment choisir la bonne qualité de HPMC
Si vous achetez des HPMC pour la première fois, le nombre de qualités disponibles peut être impressionnant. Voici une approche simplifiée.
Étape 1 : Identifiez votre secteur d'activité. Cela détermine les exigences de conformité.
- Construction : qualité industrielle, aucune conformité à la pharmacopée n'est nécessaire
- Produits pharmaceutiques : doit être conforme à la monographie USP/EP/JP pour l'hypromellose.
- Alimentaire : doit répondre aux spécifications E464 ou FDA 21 CFR 172.874
- Cosmétiques : doivent se conformer à la réglementation sur les ingrédients cosmétiques
Étape 2 : Déterminer la viscosité requise. Cela dépend de la demande.
- Faible viscosité (3-60 mPa-s) : autonivelant, application par pulvérisation, revêtement de film
- Viscosité moyenne (100-400 mPa-s) : colle à carrelage, enduit intérieur, coulis.
- Haute viscosité (4 000-100 000 mPa-s) : mastic mural, enduit extérieur, mortier en couche épaisse.
Étape 3 : Confirmer le type de substitution (pour les applications pharmaceutiques). Si vous vous approvisionnez en HPMC pour l'industrie pharmaceutique, le type USP (1828, 2208, 2906 ou 2910) est une spécification obligatoire. Si vous vous approvisionnez pour la construction, le code produit du fabricant suffit.
Étape 4 : Vérifier la documentation du fournisseur. Demandez un certificat d'analyse (COA) indiquant la viscosité, la teneur en eau, la teneur en cendres et la taille des particules. Pour les produits pharmaceutiques et alimentaires, demandez également des données sur les solvants résiduels et les résultats des tests microbiens.
| Application | Grade de viscosité | Type de substitution | Conformité |
|---|---|---|---|
| Colle à carreaux (C1/C2) | 100-400 | Qualité de la construction | Industriel |
| Enduit extérieur | 15,000-40,000 | Qualité de la construction | Industriel |
| Mastic mural | 40,000-100,000 | Qualité de la construction | Industriel |
| Nivellement automatique | 5-15 | Qualité de la construction | Industriel |
| Enrobage des comprimés | 5-15 | USP 2910 ou 2208 | USP/EP/JP |
| Libération prolongée | 4,000-15,000 | USP 2208 ou 2906 | USP/EP/JP |
| Capsules de HPMC | 5-15 | USP 2910 | USP/EP/JP |
| Pâtisserie sans gluten | 100-4,000 | Qualité alimentaire | E464 / FDA |
| Cosmétiques | 100-4,000 | Qualité cosmétique | Règlement cosmétique de l'UE |
Questions courantes sur HPMC
Le HPMC est-il naturel ou synthétique ?
L'HPMC est semi-synthétique. Il part de la cellulose naturelle (pulpe de coton ou de bois), mais les modifications chimiques (éthérification avec les groupes méthyle et hydroxypropyle) sont des processus synthétiques. Le produit final ne se trouve pas dans la nature, mais le matériau de départ est un polymère naturel.
Le HPMC est-il sans danger pour les aliments et les produits pharmaceutiques ?
Oui. Le HPMC est approuvé comme additif alimentaire (E464 dans l'UE, FDA 21 CFR 172.874 aux États-Unis) et comme excipient pharmaceutique (hypromellose, listé dans USP, EP et JP). Il est non toxique, non irritant et n'est pas métabolisé par le corps humain. Il traverse le système digestif sans être modifié.
Pourquoi le HPMC gélifie-t-il dans l'eau chaude ?
La gélification thermique se produit parce que les groupes méthyle et hydroxypropyle du squelette de la cellulose deviennent moins solubles à mesure que la température augmente. Au-delà d'une température critique (le point de gel), les chaînes de polymères s'effondrent et s'agrègent, formant un réseau de gel tridimensionnel. Ce processus est réversible. Lorsque la température descend en dessous du point de gel, le gel se dissout et la solution retrouve sa viscosité initiale.
Quelle est la différence entre HPMC et hypromellose ?
Il s'agit de la même substance chimique. “HPMC” est le nom commun utilisé dans l'industrie et la construction. “Hypromellose” est le nom officiel de la pharmacopée utilisé dans les applications pharmaceutiques et alimentaires. Si vous vous approvisionnez en HPMC pour un usage pharmaceutique, votre fiche de spécification mentionnera “hypromellose” et fera référence à une monographie de la pharmacopée.
Comment dois-je conserver le HPMC ?
Conservez l'HPMC dans un endroit frais et sec, dans un emballage scellé. L'HPMC est hygroscopique, c'est-à-dire qu'il absorbe l'humidité de l'air. L'absorption d'humidité peut entraîner la formation de grumeaux et modifier la viscosité mesurée. Dans des conditions de stockage appropriées (moins de 25°C, humidité relative inférieure à 60%), la durée de conservation typique est de 24 à 36 mois.
Conclusion
Hydroxypropylméthylcellulose (HPMC) est un éther de cellulose polyvalent utilisé dans les secteurs de la construction, des produits pharmaceutiques, de l'alimentation et des soins personnels. Sa valeur provient d'une combinaison d'épaississement, de rétention d'eau, de formation de film et de gélification thermique. Le grade que vous choisissez dépend de la viscosité (déterminée par le poids moléculaire), du type de substitution (déterminé par DS et MS) et de la norme de conformité exigée par votre secteur d'activité.
Si vous êtes novice en matière d'approvisionnement en HPMC, commencez par définir votre application et vos exigences en matière de viscosité. Confirmez ensuite la norme de conformité de votre secteur. Un fournisseur fiable fournira la documentation COA, les fiches techniques et l'aide à la formulation.
Zhiwei New Materials produit du HPMC de qualité construction dans son usine de Zhejiang, en Chine. L'usine a une capacité annuelle de 15 000 tonnes et utilise le coton raffiné du Xinjiang comme matière première. Pour des spécifications de produits, des échantillons ou des questions sur la formulation, contactez l'équipe à info@zhiweichem.com ou appeler +86 183 6616 3707.