9.5. Характер уплотнения таблетируемых материалов. Теоретические основы прессования

Весь процесс прессования предложено схематично разбить на три стадии прессования: уплотнение (под-прессовка), образование компактного тела, объемное сжатие образовавшегося компактного тела (рис. 9.19). В каждой из этих стадий протекают характерные для нее механические процессы.

На первой стадии прессования под воздействием внешней силы происходит сближение и уплотнение частиц материала за счет смещения частиц, относи­тельно друг друга и заполнения пустот. Усилия, пре­одолеваемые при этом, незначительны, уплотнение становится заметным уже при малых давлениях. При­лагаемая энергия в основном расходуется на преодо­ление внутреннего (между частицами) и внешнего (между частицами и стенками матрицы) трения.

На второй стадии с увеличением давления прес­сования происходит интенсивное уплотнение материа­ла за счет заполнения пустот и различных видов де­формации, которые способствуют более компактной упаковке частиц. Деформация, которая происходит за счет упругости материала, помогает частицам вза­имно вклиниваться, что увеличивает контактную по­верхность. Этому же способствует и деформация, про­исходящая за счет пластических свойств материала, которая заставляет частицы изменить свою форму, и плотнее прилегать другу к другу. Деформация, оп­ределяемая хрупкостью материала, характеризующая­ся разрушением прессуемого материала, происходит только в тех случаях, когда напряжения, возникаю­щие в прессуемом материале, превышают по величи­не предел текучести вещества. При этом имеет место механическое разрушение частиц на более мелкие, сопровождающееся значительным увеличением сво­бодной поверхностной энергии, что создает условия для возникновения контактов между частицами. На этой стадии прессования из сыпучего материала об-

179

		1			г			п
	D	U			U
	1				2				я

Рис. 9.19. Стадии прессования сыпучих материалов. Объяснение в тексте.

разуется компактное пористое тело, обладающее до­статочной механической прочностью.

На третьей стадии при высоких величинах давле­ния, когда механическая прочность таблеток изменя­ется незначительно, происходит, возможно, объемное сжатие частиц и гранул порошка без заметного уве­личения контактных поверхностей.

В действительности между тремя стадиями нет резких границ, так как процессы, протекающие во второй стадии, имеют место в первой и третьей ста­диях и можно говорить только о преимущественной роли отдельных процессов в каждой из них.

Исследованиями установлено, что характер уплот­нения гранул и частиц порошков при прессовании зависит от их прочности. Так, уплотнение гранул суль­фадимезина (величина разрушающих усилий равна 5,7 Н) происходит в основном за счет деформации, определяемой упругими и пластическими свойствами материала. При давлении свыше 100 мПа гранула, не разрушаясь, заполняет все свободное простран­ство около себя и образует непрерывную контактную поверхность с соседними гранулами. При давлении прессования свыше 200 мПа происходит объемное сжатие гранул. Форма гранул при этом изменяется незначительно, несколько уменьшаются их размеры.

Иной характер уплотнения при прессовании гра­нул пиперазина и уросала — смесь гексаметилентет-рамина и фенилсалицилата (величина разрушающих усилий гранул равна 3,9 и 1,2 Н соответственно).

До величины давления, равной 150—160 мПа, про­цесс уплотнения гранул пиперазина идет за счет де­формации, обусловленной упругими и пластическими свойствами материала, и частичного разрушения гра­нул, свыше 160 мПа — разрушается большинство гранул. При прессовании уросала уже при давлении

180

А 50 100 150 200 300 400 500 600 Р_мПа

Рис. 9.20. Кривая зависимости относительного уплотнения от давле­ния прессования.

АБ — прессование; БВ — снятие давления; АБ, — предварительное уплот­нение (стадия 1); Б|Ба — упругопластическая деформация (стадия 2); БаБ — сжатие (стадия 3).

около 60—80 мПа начинается процесс интенсивного разрушения гранул.

Таблетирование лекарственных веществ обычно происходит при величинах давления, равных 25— 250 мПа; более высокое давление применяют крайне редко. На рис. 9.20 показана зависимость относитель­ного уплотнения от давления прессования, представ­ленная двумя кривыми: АБ — кривая прессования; БВ — кривая снятия давления. После снятия давле­ния происходит некоторое расширение таблетки, обус­ловленное упругостью материала.

Какие же силы обеспечивают сцепление частиц при таблетировании? Существует несколько гипотез, объясняющих механизм превращения сыпучего мате­риала, состоящего из отдельных, не связанных между собой частиц,в твердое тело — таблетку.

Под влиянием давления прессования происходит сближение частиц и создаются условия для проявле­ния сил межмолекулярного и электростатического взаимодействия. Большинство лекарственных порош­ков имеет кристаллическую структуру, каждому типу которой соответствует свой уровень потенциальной энергии связи, от чего в основном и зависит прочность таблетки. Потенциальная энергия этих связей раз­лична и изменяется от единицы до сотен килоджоулей на моль. Силы межмолекулярного взаимодействия проявляются при сближении частиц на расстояние около 10~⁶—10~⁷ см. Величина этих сил пропорцио-

181

нальна поверхности контакта, а поскольку суммарная площадь контакта реальных твердых тел даже при сравнительно высоких величинах давления не превы­шает 1 % от номинальной, то в связи с этим возмож­ны другие гипотезы о механизме прессования.

Прочный контакт может образоваться в резуль­тате механического зацепления частиц или их вкли­нивания в межчастичные пространства. Влияние ме­ханического сцепления частиц на прочность таблетки подтверждено экспериментами, в которых показано, что чем сложнее поверхность частиц, тем прочнее спрессованная таблетка.

Образование контактов может происходить в ре­зультате сплавления под давлением — свойства ряда веществ плавиться под действием давления при по­ниженной температуре. Таким свойством обладает фенилсалицилат, гексаметилентетрамин, бромкамфора, натрия хлорид и ряд других соединений. При разви­тии давления в процессе прессования частицы этих веществ сплавляются в точках наибольшего сжатия, а при весьма высоких величинах давления могут об­разовывать прочный поликристаллический агрегат, который, как правило, долго не распадается в жид­кой среде.

Существенное влияние на процесс прессования оказывает влага, находящаяся в прессуемом мате­риале. С увеличением влажности гранул (порошка) ухудшаются сыпучесть и точность дозы. Уменьшение влажности до критического значения (значительно меньшее оптимальной влажности, необходимой при таблетировании) может снизить прессуемость порош­ков. В соответствии с теорией П. А. Ребиндера силы межчастичного взаимодействия определяются нали­чием жидких фаз на поверхности твердых частиц. В гидрофильных веществах адсорбционная вода с толщиной пленки до 3 мкм является плотной и прочно связанной. Она не может свободно перемещаться и не ослабляет ван-дер-ваальсовы силы молекулярно­го или ионного притяжения. При увеличении влаж­ности и образовании более толстого слоя ван-дер-ваальсовы силы уменьшаются, а вместе с ними умень­шается механическая прочность таблетки.

Таблетки обладают наибольшей прочностью при оптимальном количестве остаточной влаги, которая соответствует влаге, связанной с материалом адсорб-

182

ционными силами с образованием полимолекулярных связей. Возникновению контактов способствуют свя­зывающие вещества. Частицы более подвижного свя­зывающего вещества, деформируясь при меньшем давлении, заполняют пространство между частицами прессуемого вещества.

Определенный вклад в теоретические вопросы прес­сования вносят экспериментальные и теоретические исследования, связанные с соединением различных материалов в твердой фазе («холодная сварка»).

Механизм соединения материалов в твердой фазе рассматривают протекающим в три основные стадии: образование физического контакта; активизация кон­тактных поверхностей; развитие объемного взаимо­действия.

Образование физического контакта происходит при сближении атомов соединяемых материалов на расстояние, при котором проявляются ван-дер-вааль­совы силы или слабое химическое взаимодействие. Активация контактных поверхностей происходит при деформации, обусловленной пластическими свойствами частиц более твердого материала. Объемное взаимо­действие наступает с момента образования активных центров. При этом оно происходит в местах физиче­ского контакта с образованием прочных химических связей. В этой стадии могут иметь место и диффу­зионные процессы.

Во всех случаях основными параметрами процес­са холодной сварки являются давление, температура и длительность взаимодействия. В связи с этим счи­тают механизм взаимодействия частиц при прессо­вании порошков адекватным механизму взаимодей­ствия частиц при холодной сварке в твердой фазе. Длительность процесса прессования лекарственных порошков на роторных машинах даже при средних частотах вращения ротора (30—40 об/мин) состав­ляет в лучшем случае десятые доли секунды. Таким образом, характер уплотнения порошков во многом может быть подобен таковому при сварке взрывом.