Краткое определение
Гидроксипропилметилцеллюлоза (HPMC) это полусинтетический, водорастворимый эфир целлюлозы, полученный из натуральной целлюлозы. Он производится путем химической модификации растительного волокна (очищенного хлопка или древесной массы) метильными и гидроксипропильными группами. В результате образуется порошок от белого до светло-белого цвета, который растворяется в холодной воде с образованием прозрачного, вязкого раствора.
В зависимости от отрасли вы можете встретить и другие названия HPMC:
- Гипромеллоза: фармацевтическое название, используемое в Фармакопее США (USP), Европейской фармакопее (EP) и Японской фармакопее (JP).
- E464: код пищевой добавки, используемый в Европейском Союзе
- CAS номер 9004-65-3: регистрационный номер Chemical Abstracts Service
HPMC выполняет четыре основные функции: загущение, водоудержание, образование пленки и адгезия. Благодаря этим функциям он является одним из наиболее широко используемых эфиры целлюлозы США в 2021 году и, по прогнозам, будет расти с темпом CAGR 4,8% до 2030 года (Grand View Research).
Как производится HPMC
HPMC начинается как натуральная целлюлоза, основной структурный компонент клеточных стенок растений. В процессе производства сырое целлюлозное волокно превращается в функциональный полимер посредством ряда химических реакций.
Шаг 1: Очистка и измельчение целлюлозы. Сырая хлопковая или древесная целлюлоза очищается от лигнина, гемицеллюлозы и других примесей. Очищенная целлюлоза измельчается в мелкий порошок, чтобы увеличить площадь ее поверхности для следующего этапа.
Шаг 2: Алкализация (мерсеризация). Порошок целлюлозы обрабатывается концентрированным раствором гидроксида натрия (NaOH). В результате образуется щелочная целлюлоза, которая набухает в структуре волокна и делает гидроксильные группы на цепочке целлюлозы более реакционноспособными.
Шаг 3: этерификация. Именно на этом этапе HPMC получает свое название. Два реагента вступают в реакцию со щелочной целлюлозой:
- Метилхлорид (CH₃Cl) Вводит метильные группы (-CH₃) в основу целлюлозы. В результате такого замещения образуется “метильная” часть гидроксипропилметилцеллюлозы.
- Оксид пропилена (C₃H₆O) вводит гидроксипропильные группы (-OCH₂CH(OH)CH₃) в основу целлюлозы. В результате такого замещения образуется “гидроксипропильная” часть.
Соотношение и степень этих замен определяют характеристики конечного продукта. При различных сочетаниях получаются разные марки HPMC.
Шаг 4: Нейтрализация и очистка. Реакционную смесь нейтрализуют кислотой, затем многократно промывают горячей водой для удаления солей, побочных продуктов и непрореагировавших химических веществ. Этот этап очистки особенно важен для фармацевтического и пищевого HPMC, где уровень остаточных растворителей строго регламентирован.
Шаг 5: Сушка, измельчение и просеивание. Очищенный HPMC высушивают, измельчают до заданного размера частиц и пропускают через сита для обеспечения равномерного распределения частиц. Готовый продукт представляет собой свободно растекающийся порошок белого или небелого цвета.
Весь процесс происходит при контролируемых условиях температуры и давления. На этом этапе контролируется степень замещения, вязкость и размер частиц.
Ключевые свойства, которые важны для покупателей
Вам не нужна степень по химии, чтобы эффективно покупать HPMC. Но вы должны понимать свойства, которые влияют на его работу в вашей области применения.
Растворимость в воде. HPMC растворяется в холодной воде с образованием прозрачного или слегка мутного вязкого раствора. В горячей воде он не растворяется. Это не недостаток. Это определяющая характеристика, называемая термической гелеобразованием, о которой речь пойдет ниже.
Термическое гелеобразование. При нагревании раствора HPMC выше определенной температуры (обычно 60-90°C, в зависимости от марки) полимерные цепи разрушаются и образуют гелеобразную сеть. Раствор становится мутным, а вязкость резко возрастает. Когда раствор охлаждается ниже температуры геля, он возвращается в исходное растворенное состояние. Такое обратимое поведение имеет значение в строительстве, где температура окружающей среды высока, и в фармацевтических препаратах с контролируемым высвобождением, где образование геля регулирует скорость высвобождения лекарств.
Вязкость. HPMC выпускается в широком диапазоне вязкости, от примерно 3 мПа-с до 200 000 мПа-с (измеряется как водный раствор 2% при 20°C). Более высокая вязкость означает более густые растворы, лучшую устойчивость к провисанию и лучшее водоудержание. Более низкая вязкость означает более легкое смешивание, лучшую текучесть и лучшее выравнивание. Необходимая вам вязкость зависит от области применения.
Неионный характер. HPMC не несет электрического заряда в растворе. Это означает, что он не вступает в реакцию с ионами в системе, такими как соли кальция, натрия или калия. Он совместим с широким спектром электролитов, поверхностно-активных веществ и других добавок. Его диапазон стабильности pH составляет примерно от 3,0 до 11,0.
Формирование пленки. Когда раствор HPMC высыхает, он образует прозрачную, гибкую пленку. Эта пленка устойчива к воздействию масел и жиров, но проницаема для водяного пара. В фармацевтических покрытиях это свойство позволяет контролировать высвобождение. В строительстве оно способствует адгезии и удержанию воды на границе раздела субстратов.
Поверхностная активность. HPMC снижает поверхностное натяжение воды. Это улучшает смачивание и дисперсию порошков и пигментов в системах на цементной основе, красках и средствах личной гигиены.
Объяснение градаций HPMC: DS, MS и вязкость
Если вы посмотрите на спецификацию HPMC, вы увидите цифры DS, MS и вязкости. Вот что они означают.
Степень замещения (DS) и молярное замещение (MS)
DS (степень замещения) обозначает среднее количество метильных групп (-OCH₃), присоединенных к каждой единице ангидроглюкозы в цепочке целлюлозы. Максимально возможное значение DS составляет 3,0 (все три доступные гидроксильные позиции замещены). Типичные значения DS для HPMC составляют от 0,6 до 1,8.
MS (молярное замещение) относится к среднему числу гидроксипропильных групп (-OCH₂CH(OH)CH₃), присоединенных к каждой единице ангидроглюкозы. В отличие от DS, MS может превышать 3,0, поскольку гидроксипропильные группы могут соединяться друг с другом в короткие боковые цепи. Типичные значения МС HPMC составляют от 0,1 до 0,3.
Сочетание DS и MS определяет фундаментальное поведение HPMC. Более высокое содержание метоксила (более высокий DS) увеличивает гидрофобность и снижает температуру геля. Более высокое содержание гидроксипропоксила (более высокий MS) увеличивает гидрофильность и повышает температуру геля. Эти два параметра работают в противоположном направлении, и производители регулируют их для получения марок для различных применений.
Типы заменителей USP
Фармакопея США классифицирует HPMC по четырем типам замещения в зависимости от содержания метоксила и гидроксипропоксила:
| Тип USP | Метоксил (%) | Гидроксипропоксил (%) | Типичное использование |
|---|---|---|---|
| 1828 | 16.5-20.0 | 23.0-32.0 | Пленочное покрытие, устойчивое высвобождение |
| 2208 | 19.0-24.0 | 4.0-12.0 | Связующее вещество для таблеток, загуститель |
| 2906 | 27.0-30.0 | 4.0-7.5 | Матрица с контролируемым высвобождением |
| 2910 | 28.0-30.0 | 7.0-12.0 | Фармацевтические препараты общего назначения, капсулы |
Четырехзначное число кодирует данные о замещении. Первые две цифры обозначают приблизительное содержание метоксила, а последние две цифры - приблизительное содержание гидроксипропоксила. Например, тип 2910 содержит примерно 29% метоксила и примерно 10% гидроксипропоксила.
Если вы закупаете HPMC для фармацевтической промышленности, тип USP является обязательной спецификацией. Для строительных и промышленных целей производители часто используют другие соглашения о наименованиях.
Степени вязкости и способы их определения
Вязкость - наиболее часто упоминаемая спецификация для HPMC в строительстве и промышленности. Она измеряется как вязкость водного раствора 2% при 20°C и указывается в миллипаскалях-секундах (мПа-с).
| Класс вязкости | Диапазон вязкости (мПа-с, раствор 2%) | Типовое применение |
|---|---|---|
| 5 (или 5 cps) | 3-7 | Самовыравнивающиеся составы, маловязкие пленочные покрытия |
| 15 | 12-18 | Самовыравнивающаяся штукатурка |
| 50 | 40-60 | Плиточный клей (большой формат), заполнитель швов |
| 100 | 80-120 | Плиточный клей, внутренняя штукатурка |
| 400 | 300-500 | Плиточный клей, шпаклевка для стен, наружная отделка |
| 4,000 | 3,000-5,000 | Шпаклевка для стен, грунтовка, толстослойная штукатурка |
| 15,000 | 12,000-18,000 | Шпаклевка для стен, штукатурка на цементной основе |
| 40,000 | 35,000-45,000 | Толстослойный раствор, тяжелая штукатурка |
| 100,000 | 80,000-120,000 | Толстослойный плиточный клей, система наружной изоляции |
Производители используют различные соглашения о наименованиях. Например, “HPMC 15M” или “HPMC 150,000” обычно обозначают сорт с вязкостью около 15,000 мПа-с. При сравнении сортов от разных поставщиков всегда уточняйте метод испытания и концентрацию, поскольку раствор 1,5% и раствор 2% дадут разные показатели вязкости для одного и того же продукта.
Для чего используется HPMC
HPMC используется во многих отраслях промышленности. На мировом рынке доминирует строительство, на которое приходится наибольшая доля спроса, но фармацевтика, пищевая промышленность и личная гигиена также являются значимыми сегментами.
Строительство и строительные материалы
Строительство - крупнейший сегмент конечного использования КМПЗ, на который приходится более 40% мирового спроса. В строительных материалах на основе цемента и гипса HPMC в основном используется для загущения, водоудержания и улучшения обрабатываемости.
К числу распространенных областей применения относятся:
- Плиточный клей и затирка: HPMC улучшает открытое время (время, в течение которого клей остается работоспособным), регулирует консистенцию и предотвращает слишком быстрое впитывание воды основанием или плиткой. Для плиточных клеев C1 и C2 по стандарту EN 12004 HPMC является стандартным ингредиентом в количестве 0,2-0,5% по весу.
- Наружная отделка и штукатурка: HPMC удерживает воду в растворе достаточно долго для правильной гидратации цемента. Это уменьшает растрескивание и повышает прочность сцепления. В жарком климате используются более вязкие марки, чтобы компенсировать более быстрое испарение.
- Шпаклевка и грунтовка для стен: HPMC обеспечивает устойчивость к провисанию, гладкое нанесение и правильное высыхание. Обычно вязкость составляет 40 000-100 000 мПа-с.
- Самовыравнивающиеся составы: Низковязкий HPMC (5-15 мПа-с) обеспечивает удержание воды, не слишком загущая смесь. Смесь должна свободно течь.
- Цементный раствор и каменная кладка: HPMC улучшает обрабатываемость, снижает потребность в воде и увеличивает время работы.
Фармацевтические препараты и добавки
В фармацевтическом производстве HPMC известен под фармакопейным названием гипромеллоза. Это один из наиболее широко используемых в промышленности вспомогательных веществ.
- Покрытие таблеток: HPMC образует прозрачные, гибкие пленки, которые защищают таблетки от влаги и маскируют вкус. Обычно используются типы 2910 и 2208.
- Таблетки с матрицей устойчивого высвобождения: HPMC гидратируется и образует слой геля, который контролирует скорость высвобождения лекарственного средства. Типы 2208 и 2906 предпочтительны для этого применения, поскольку их более высокая молекулярная масса создает более прочный гелевый барьер.
- Твердые капсулы: Вегетарианские капсулы, изготовленные из HPMC (вместо желатина), становятся все более популярными среди потребителей, избегающих продуктов животного происхождения. Капсулы из HPMC также более стабильны в условиях низкой влажности.
- Глазные капли и искусственные слезы: Гипромеллоза низкой вязкости используется в качестве смазки в офтальмологических растворах.
Фармацевтический HPMC должен отвечать требованиям монографии соответствующей фармакопеи (USP, EP, JP). Чистота, уровень остаточных растворителей и предельное содержание микроорганизмов строго контролируются.
Пищевая промышленность
HPMC одобрен в качестве пищевой добавки в Европейском Союзе (E464) и США (FDA 21 CFR 172.874). В пищевых продуктах он используется в качестве загустителя, эмульгатора, стабилизатора и желирующего агента.
- Безглютеновая выпечка: HPMC имитирует некоторые вязкоупругие свойства клейковины в тесте для хлеба и кондитерских изделий, улучшая его объем и текстуру.
- Замороженные продукты: HPMC предотвращает рост кристаллов льда и синерезис (разделение воды) во время циклов замораживания-оттаивания.
- Соусы и заправки: HPMC обеспечивает вязкость и предотвращает разделение фаз в эмульсиях "масло-в-воде".
- Растительные альтернативы мясу: HPMC помогает связывать воду и жир, улучшая текстуру таких продуктов, как вегетарианские бургеры и колбасы на растительной основе.
Пищевая HPMC должна соответствовать определенным стандартам чистоты по содержанию тяжелых металлов, остаточных растворителей и микробного загрязнения.
Личный уход и косметика
В косметике и средствах личной гигиены HPMC выступает в качестве загустителя, пленкообразователя и стабилизатора.
- Шампунь и средство для мытья тела: HPMC регулирует вязкость и улучшает ощущение продукта на коже и волосах.
- Лосьоны и кремы: HPMC стабилизирует эмульсии и обеспечивает гладкую, нежирную консистенцию.
- Зубная паста: HPMC способствует текстурированию и связыванию воды, предотвращая высыхание пасты.
Косметический HPMC не имеет официального фармакопейного стандарта, но он должен соответствовать требованиям к косметическим ингредиентам (EU Cosmetics Regulation, FDA OTC monograph) и обычно указывается в списке INCI под названием “Hydroxypropyl Methylcellulose”.”
HPMC в сравнении с другими эфирами целлюлозы
HPMC - не единственный эфир целлюлозы на рынке. Если вы новичок в этой категории, вам будет полезно понять, как HPMC сопоставляется с другими распространенными типами.
| Недвижимость | HPMC | HEMC (MHEC) | HEC | МЦ (метилцеллюлоза) |
|---|---|---|---|---|
| Полное имя | Гидроксипропилметилцеллюлоза | Гидроксиэтилметилцеллюлоза | Гидроксиэтилцеллюлоза | Метилцеллюлоза |
| Замещающие группы | Метил + гидроксипропил | Метил + гидроксиэтил | Только гидроксиэтил | Только метил |
| Диапазон вязкости (мПа-с, 2%) | 3-200,000 | 3,500-100,000 | 200-15,000 | 3-200,000 |
| Температура геля (°C) | 60-90 | 65-75 | Не гель | 50-70 |
| Удержание воды | Хорошо | Лучше | Умеренный | Хорошо |
| Устойчивость к соли | Хорошо | Хорошо | Бедный | Хорошо |
| Основные приложения | Строительство, фармацевтика, пищевая промышленность | Строительство (штукатурка, шпаклевка) | Краска, косметика, нефтепромысел | Строительство, пищевая промышленность, фармацевтика |
HPMC против HEMC: Оба являются производными метилцеллюлозы со вторым заместителем. В HPMC используются гидроксипропильные группы, в HEMC - гидроксиэтильные. В строительстве HEMC обычно обладает более высокой водоудерживающей способностью и немного более высокой температурой геля, что делает его предпочтительным для применения в жарком климате. HPMC имеет более широкий диапазон вязкости и более низкую стоимость. Многие производители используют оба компонента в одном продукте.
HPMC против HEC: HEC не содержит метильных групп и не проявляет термической гелеобразования. Он является предпочтительным загустителем в красках и косметике на водной основе благодаря своей отличной прозрачности и совместимости с гликолями и поверхностно-активными веществами. ГЭК плохо переносит воздействие солей, поэтому редко используется в системах на основе цемента, где присутствуют ионы кальция.
HPMC против MC: Метилцеллюлоза содержит только метильные заместители (без гидроксипропильных групп). MC имеет более низкую температуру геля (50-70°C) по сравнению с HPMC, что ограничивает ее использование в жарких средах. МЦ менее распространена в строительстве и более распространена в пищевой и фармацевтической промышленности.
Как выбрать правильный сорт HPMC
Если вы впервые покупаете HPMC, количество доступных марок может оказаться непомерно большим. Вот упрощенный подход.
Шаг 1: Определите свою отрасль. Это определяет требования к соответствию.
- Конструкция: промышленный класс, не требует соблюдения фармакопеи
- Фармацевтические препараты: должны соответствовать монографии USP/EP/JP для гипромеллозы
- Пищевые продукты: должны соответствовать спецификациям E464 или FDA 21 CFR 172.874
- Косметика: должна соответствовать требованиям к косметическим ингредиентам
Шаг 2: Определите требуемую вязкость. Это зависит от приложения.
- Низкая вязкость (3-60 мПа-с): саморазравнивание, нанесение распылением, покрытие пленкой
- Средняя вязкость (100-400 мПа-с): плиточный клей, внутренняя штукатурка, затирка.
- Высокая вязкость (4 000-100 000 мПа-с): шпаклевка для стен, наружная штукатурка, густой раствор
Шаг 3: Подтвердите тип замещения (для фармацевтических приложений). Если вы закупаете HPMC для фармацевтической промышленности, обязательным условием является указание типа USP (1828, 2208, 2906 или 2910). Если вы выбираете поставщиков для строительства, достаточно кода продукта производителя.
Шаг 4: Проверьте документацию поставщика. Попросите предоставить сертификат анализа (COA), в котором указаны вязкость, содержание влаги, зольность и размер частиц. Для фармацевтических и пищевых марок также запросите данные об остаточном растворителе и результаты испытаний на микроорганизмы.
| Приложение | Класс вязкости | Тип подстановки | Соответствие требованиям |
|---|---|---|---|
| Плиточный клей (C1/C2) | 100-400 | Строительный класс | Промышленность |
| Наружная отделка | 15,000-40,000 | Строительный класс | Промышленность |
| Шпаклевка для стен | 40,000-100,000 | Строительный класс | Промышленность |
| Самовыравнивающийся | 5-15 | Строительный класс | Промышленность |
| Покрытие таблеток | 5-15 | USP 2910 или 2208 | USP/EP/JP |
| Устойчивое высвобождение | 4,000-15,000 | USP 2208 или 2906 | USP/EP/JP |
| Капсулы HPMC | 5-15 | USP 2910 | USP/EP/JP |
| Безглютеновая выпечка | 100-4,000 | Пищевой класс | E464 / FDA |
| Косметика | 100-4,000 | Косметический класс | Косметический регламент ЕС |
Общие вопросы о HPMC
Является ли HPMC натуральной или синтетической?
HPMC является полусинтетическим материалом. Его получают из натуральной целлюлозы (хлопковой или древесной), но химические модификации (этерификация метильными и гидроксипропильными группами) являются синтетическими процессами. Конечный продукт не встречается в природе, но исходный материал является натуральным полимером.
Безопасен ли HPMC для пищевых и фармацевтических продуктов?
Да. HPMC одобрен как пищевая добавка (E464 в ЕС, FDA 21 CFR 172.874 в США) и как фармацевтический эксципиент (гипромеллоза, включена в списки USP, EP и JP). Он нетоксичен, не вызывает раздражения и не метаболизируется в организме человека. Он проходит через пищеварительную систему в неизменном виде.
Почему HPMC загустевает в горячей воде?
Термическое гелеобразование происходит потому, что метильные и гидроксипропильные группы в основе целлюлозы становятся менее растворимыми при повышении температуры. Выше критической температуры (точка гелеобразования) полимерные цепи разрушаются и объединяются, образуя трехмерную гелевую сеть. Это обратимый процесс. Когда температура опускается ниже точки гелеобразования, гель растворяется, и раствор возвращается к своей первоначальной вязкости.
В чем разница между HPMC и гипромеллозой?
Это одно и то же химическое вещество. “HPMC” - это общее название, используемое в промышленности и строительстве. “Гипромеллоза” - это официальное фармакопейное название, используемое в фармацевтике и пищевой промышленности. Если вы приобретаете HPMC для использования в фармацевтике, в спецификации будет указано “гипромеллоза” и дана ссылка на фармакопейную монографию.
Как хранить HPMC?
Храните HPMC в прохладном, сухом месте в герметичной упаковке. HPMC гигроскопичен, то есть поглощает влагу из воздуха. Поглощение влаги может привести к комкованию и изменению измеренной вязкости. При надлежащих условиях хранения (ниже 25°C, относительная влажность ниже 60%) типичный срок годности составляет 24-36 месяцев.
Заключение
Гидроксипропилметилцеллюлоза (HPMC) это универсальный эфир целлюлозы, используемый в строительстве, фармацевтике, пищевой промышленности и личной гигиене. Его ценность обусловлена сочетанием таких свойств, как загущение, водоудержание, пленкообразование и термогелеобразование. Выбор марки зависит от вязкости (определяется молекулярной массой), типа замещения (определяется DS и MS), а также от того, какой стандарт соответствия требуется в вашей отрасли.
Если вы новичок в поиске поставщиков HPMC, начните с определения области применения и требований к вязкости. Затем уточните стандарт соответствия для вашей отрасли. Надежный поставщик предоставит документацию COA, технические паспорта и поддержку рецептур.
Новые материалы Чживэй производит HPMC строительного качества на своем предприятии в Чжэцзяне, Китай. Мощность завода составляет 15 000 тонн в год, а в качестве сырья используется синьцзянский очищенный хлопок. Для получения спецификаций продукции, образцов или вопросов о рецептуре свяжитесь с командой по адресу info@zhiweichem.com или позвоните +86 183 6616 3707.