Προϋποθέσεις πλαστικοποιητικής δράσης της σορβιτόλης κατά τη θερμοεξώθηση Kollidon SR διαφορετικού βαθμού ενυδάτωσης και επίδραση της δράσης στις μηχανικές ιδιότητες του εξωθήματος
Creators: name: Τόσκας, Μιλτιάδης Ηλία
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Πολυμερές
Σορβιτόλη
Θερμοεξώθηση
Kollidon SR
Sorbitol
Hot Melt Extrusion

description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάστηκε η επίδραση της παρουσίας του ύδατος στο πολυμερές Kollidon® SR επί της πλαστικοποιητικής δράσης της σορβιτόλης κατά τη θερμοεξώθηση διμερών μειγμάτων τους. Η θερμοεξώθηση των μειγμάτων ήταν εφικτή σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (80-123 οC), εκτός από τα μείγματα Kollidon® SR / σορβιτόλης αναλογίας 97.5:2.5 με Kollidon υψηλής ενυδάτωσης (έκθεση σε συνθήκες RΗ 75%). Τα αποτελέσματα της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης έδειξαν ότι η θερμοεξώθηση οδήγησε σε μείωση του Tg, σε σύγκριση με φυσικά μείγματα και ήταν μεγαλύτερη για εξωθήματα με πολυμερές χαμηλής ενυδάτωσης (ΚΝ). Μάλιστα τα Tg των εξωθημάτων μειγμάτων ΚΝ ήταν πολύ κοντά στις προβλεπόμενες θεωρητικές τιμές που υποδηλώνει ιδανική ανάμειξη των συστατικών στο εξώθημα. Επιβεβαιώθηκε η παρουσία κορυφών σορβιτόλης στα φάσματα θερμοεξωθημάτων με φασματοσκοπία ATR – FTIR. Η παρατήρηση των φασμάτων έδειξε απουσία σημαντικών χημικών αλληλεπιδράσεων Kollidon® SR - σορβιτόλης αλλά μικρές μεταβολές στην εμφάνιση και την ένταση κορυφών ενδεικτικές δομικών αλληλεπιδράσεων. Εφαρμόστηκε η μέθοδος νανο-διείσδυσης για τη μελέτη της σκληρότητας και της χαλάρωσης των θερμοεξωθημάτων και προσδιορίστηκαν ποσοτικά παράμετροι μικροσκληρότητας και χαλάρωσης. Για τα πειράματα εφαρμόστηκε στατιστικός σχεδιασμός για δύο καταστάσεις ενυδάτωσης πολυμερούς (χαμηλή με moisture content (MC%) περίπου 2.5% (συντόμευση ΚΝ) και MC% περίπου 8% (συντόμευση KW) και τρία επίπεδα σορβιτόλης: 2.5, 5 και 10% w/w στο διμερές μείγμα. Επιπλέον, τα θερμοεξωθήματα κονιοποιήθηκαν και συμπιέστηκαν σε δισκία σε τρεις πιέσεις, μικρή 70 MPa, μεσαία 110 MPa και μεγάλη 150 MPa. Τα δισκία αξιολογήθηκαν ως προς το έργο συμπίεσης (Wc) την ελαστική επανάκαμψη (ER%) και την αντοχή σε εφελκυσμό (TS). Εφαρμόστηκε στατιστική ανάλυση για την εκτίμηση της επίδρασης και των αλληλεπιδράσεων των διάφορων παραγόντων στις ιδιότητες των δισκίων. Βρέθηκε ότι η σορβιτόλη λειτουργεί σαν πλαστικοποιητής σε όλες τις αναλογίες για μείγματα με στεγνό πολυμερές ΚΝ αλλά για μείγματα με υγρό πολυμερές (ΚW) μόνο σε αναλογίες 5% και 10% ενώ στη χαμηλή αναλογία 2.5% ασκεί ισχυρή αντιπλαστικοποιητική δράση. Τα θερμοεξωθήματα ΚW παρουσίασαν μεγαλύτερη σκληρότητα από τα ΚΝ για επίπεδα σορβιτόλης από 0% έως 5% ενώ οι τιμές μικροσκληρότητας των εξωθημάτων ΚΝ και KW πλησιάζουν στο επίπεδο σορβιτόλης 10%. Η αντιπλαστικοποιητική δράση της σορβιτόλης είχε σαν αποτέλεσμα αύξηση της επιφανειακής τραχύτητας, αύξηση της σκληρότητας αλλά μείωση της χαλάρωσης. Η απορροφούμενη μηχανική ενέργεια κατά τη συμπίεση είναι σημαντικά χαμηλότερη στα θερμοεξωθήματα το οποίο σχετίζεται με το χαμηλότερο Tg, πιο μαλακή επιφάνεια και λιγότερες διεπιφανειακές τριβές. Σε όλες τις περιπτώσεις η θερμοεξώθηση μείωσε τη μηχανική αντοχή των δισκίων των φυσικών μειγμάτων. Το ίδιο και η υψηλή ενυδάτωση. Συμπερασματικά η δράση της σορβιτόλης εξαρτάται από τη συγκέντρωση της στο διμερές μείγμα με το πολυμερές και το βαθμό ενυδάτωσης του που επηρεάζεται άμεσα από τις περιβαλλοντικές συνθήκες φύλαξης.
description: Τhe aim of the present MSc thesis was to investigate the effect of moisture content of Kollidon® SR (low or high level of hydration) on the plasticizing effect of sorbitol during the hot melt extrusion (HME) of their binary mixtures. HME was possible at relatively low temperatures (80-123 °C), except for the 97.5:2.5 Kollidon/sorbitol mixtures with high hydrated Kollidon (KW) (exposed to 75% RH). Differential scanning calorimetry results showed that HME led to a decrease in Tg, compared to physical mixtures and was greater for the low hydrated polymer (KN) extrudates. In fact, Tg of the KN mixture extrudates were very close to the predicted theoretical values by the Gordon-Taylor equation, indicating ideal mixing of the components in the extrudate. ATR – FTIR spectroscopy confirmed the presence of sorbitol peaks in the spectra of extrudates. Spectra observation showed the absence of significant Kollidon - sorbitol interactions, but small changes in the appearance and intensity of the peaks were observed, possibly due to structural interactions. Nanoindentation was applied to study the stiffness and stress relaxation of extrudates, and microhardness and relaxation parameters were quantitatively determined. An experimental design was applied with two factors: a) polymer hydration at two levels (low with moisture content (MC%) of about 2.5% (KN) and MC% of about 8% (KW)) and b) sorbitol weight ratio in the binary mixture at three levels (2.5, 5 and 10% w/ w in the binary mixture). In addition, the extrudates were micronized using a cut-mill and compressed into tablets at three compression pressures: low (70 MPa), b) medium (110 MPa0 and c) high (150 MPa). The tablets were evaluated for their compression parameters, including work of compression (Wc), elastic recovery (ER%) and tensile strength (TS). Statistical analysis was applied to assess the effect and interactions of various factors on tablet properties. It was found that sorbitol acts as a plasticizer in all cases for mixtures with low hydrated polymer (KN). On the other hand, for mixtures with high hydrated polymer (KW) it shows a double action depending on its proportion in the mixture. In the 5% and 10% levels it acts as a plasticizer, while in the low proportion of 2.5% it exerts a strong anti-plasticizing effect. For 0, 2.5 and 5% levels of sorbitol, KW extrudates showed higher microhardness values than KN, while the corresponding values at 10% sorbitol level are relatively close. The anti-plasticizing effect of sorbitol resulted in an increase in surface roughness and microhardness, but a decrease in stress relaxation. The absorbed mechanical energy during compression was significantly lower in the tablets of the extrudates, which is related to the lower Tg, softer surface and less interfacial friction. In all cases, HME and hydration reduced the mechanical strength of tablets. In conclusion, sorbitol’s plasticizing action depends on its proportion in the binary mixture with the polymer and the polymer’s degree of hydration, which is directly affected by the environmental storage conditions.