CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ CƠ BẢN TRONG SẢN XUẤT DƢỢC PHẨM
Bài 9 QUÁ TRÌNH NÉN DẬP VẬT LIỆU
9.2. Hiệu ứng của lực ứng dụng
Biến dạng là sự thay đổi hình dạng kích thước của vật thể dưới tác dụng của một ngoại lực (hình 9.6).
Một vật thể rắn chịu tác động bởi những ngoại lực đối nhau sẽ dẫn đến sự thay đổi có giới hạn về mặt hình học của nó. Sự thay đổi của vật thể phụ thuộc vào bản chất của lực tác động vào nó.
Lượng biến dạng tương đối tạo ra bởi những lực như vậy là một đại lượng không thứ nguyên, được gọi là biến dạng (strain).
Trong quá trình nén dập có ba loại biến dạng thông thường nhất (hình 9.6):
Biến dạng kéo (a) Biến dạng nén (b) Biến dạng trượt (c)
Nếu một thanh vật liệu rắn bị nén bởi một lực tác động lên mối đầu (b) sẽ gây ra sự giảm chiều cao (h):
Hình 9.6. Sơ đồ biến dạng hình học của vật thể rắn
H = Ho – H
Khi đó biến dạng nén z được tính theo công thức:
Tỷ lệ lực nén cần thiết để thực hiện biến dạng này trên một diện tích A được gọi là ứng suất
(stress):
Ghi chú: Ứng suất là giá trị của nội lực phát sinh trong vật thể dưới ảnh hưởng của những tác dụng bên ngoài (tải trọng, nhiệt độ v.v…). Đơn vị đo ứng suất trong hệ SI là Pascan (Pa).
9.2.2. Quá trình nén (compression)
Khi lực cơ học bên ngoài tác động lên khối bột bình thường, có một sự giảm thể tích khối.
Đó là kết quả của một hoặc nhiều hiệu ứng sau: Giai đoạn đầu của sự nạp liệu thường đi cùng với sự sắp xếp lại các hạt chặt hơn và đây là cơ chế chính của giảm thể tích lúc ban đầu. Tuy nhiên, sự sắp xếp lại tiếp theo sẽ khó hơn và khi nén tiếp sẽ có một số loại biến dạng hạt xuất hiện:
Nếu ngừng nén và tiến hành xả nén, quá trình biến dạng thuận nghịch tự phát sinh như cao su. Lúc đó, biến dạng được gọi là biến dạng đàn hồi (elastic).
Ghi chú: Biến dạng đàn hồi là biến dạng biến mất sau khi bỏ tải trọng gây ra nó. Đối với vật rắn, biến dạng đàn hồi thường là nhỏ và tỷ lệ với ứng suất đặt vào nó.
Ví dụ: Khi nén aspirin, CMC, cơ chế nén đàn hồi chiếm ưu thế.
Trong một nhóm bột khác, khi xả nén, quá trình phục hồi thuận nghịch không xảy ra ngay lập tức, khối bột vẫn giữ được trạng thái giảm thể tích. Biến dạng này được gọi là biến dạng dẻo (plastic).
Ghi chú: Biến dạng dẻo là biến dạng vẫn còn lại sau khi đã bỏ tải trọng tác dụng lên vật thể, hình thức biến dạng dẻo chủ yếu là hiện tượng trượt giữa các phần tinh thể theo các mặt và phương nhất định gọi là mặt và phương trượt, do hình thành các hạt block, do mạng tinh thể bị xô lệch sau khi biến dạng dẻo nên độ bền và độ cứng tăng lên, độ dẻo và độ dai giảm đi.
Nguyên nhân của sự giảm thể tích khối của vật liệu bột là một sự phối hợp các đặc tính lý hoá của vật liệu. Tất cả các hiệu ứng biến dạng có thể kèm theo sự bể gãy và hình thành liên kết mới giữa các hạt làm tăng độ chắc khi các bề mặt mới được ép lại với nhau.
Sự nén giảm thể tích khối bột để đóng vào viên nang cứng đạt được bằng cách sắp xếp lại và có lượng biến dạng tối thiểu.
Trong quá trình nén dập viên hoặc các kỹ thuật
Hình 9.7. Sơ đồ hiệu ứng của lực nén khối bột lên khối bột
đặc biệt tương tự, các trục nén có độ nén cao, vì vậy thường đồng thời xảy ra sự sắp xếp lại, biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và sự gãy dòn.
Quá trình biến dạng xảy ra phụ thuộc vào thời gian nén, tốc độ nén, tốc độ xả nén. Ví dụ:
Trong trường hợp vật liệu biến dạng dẻo, tốc độ nạp và xả tải trọng quá nhanh sẽ có thể xuất hiện hiện tượng nứt gãy. Ngược lại khi thời gian ngừng lại đều đặn dưới tải trọng nén kéo dài hơn, lúc đó biến dạng dẻo có thể tiếp tục đưa đến kết quả viên chắc hơn. Trường hợp dập viên
paracetamol, vật liệu có xu hướng bong mặt trong khi biến dạng, có sự nhạy cảm thực sự với thời gian ngừng dưới tải trọng nén tối đa. Khắc phục nguyên nhân này bằng cách tốc độ máy phải chậm hơn, đường kính trục nén lớn hơn thay vì phải điều chỉnh công thức viên.
9.2.3. Quá trình làm chắc vật liệu (consolidation)
Khi bề mặt của hai tiểu phân đạt tới sự đủ chặt nghĩa là độ phân cách ít hơn 50nm, năng lượng bề mặt tự do của chúng tạo ra một lực hút mạnh và quá trình được gọi là hàn lạnh, bản chất của liên kết mới tạo thành giống như của cấu trúc phân tử bên trong hạt.
Để có nhiều điểm tiếp xúc trong khối bột và truyền lực vào khối bột dưới tác động của các lực, các hạt nóng lên do ma sát. Nếu sự nóng lên này không bị tiêu tan thì sự nóng lên cục bộ có thể thích hợp để gây nóng chảy bề mặt tiếp xúc của hạt, làm giảm bớt ứng suất trong vùng hạt đó. Trong trường hợp này liên kết chảy sẽ làm tăng cường độ cơ học của vật liệu. Trong thực tế có nhiều loại hoá dược chứa nhiệt lượng thấp và tính dẫn nhiệt kém để truyền nhiệt từ điểm tiếp xúc đi là chậm.
Sự khác nhau giữa sự hình thành liên kết kiểu này và liên kết theo kiểu hàn lạnh có vẻ khác nhau về nguyên lý cơ bản nhưng kết quả cuối cùng là giống nhau. Trong cả hai trường hợp hàn lạnh và nóng chảy quá trình đều bị tác động bởi các yếu tố:
– Bản chất hoá học của vật liệu.
– Quy mô bề mặt khả dụng.
– Sự có mặt của các chất làm nhiễm bẩn bề mặt.
Loại và mức độ kết tinh của các hạt vật liệu, dạng tinh thể, kiểu kết tinh, cấu trúc mạng tinh thể… ảnh hưởng đến quá trình do sự khác nhau về liên kết tạo thành và làm ảnh hưởng đến độ chắc của hạt.
Một điều đáng chú ý hiện nay, các tá dược sử dụng cho dập thẳng thường được mô tả như các tinh thể.
Nếu bề mặt hạt sạch, diện tích bề mặt lớn sẽ đưa đến sự liên kết chặt chẽ, sự nứt gãy trong quá trình nén tạo ra những bề mặt sạch đảm bảo cho chúng gắn chặt hơn.
Đây là một yếu tố quan trọng khi xem xét quá trình dập viên để tìm ra các nguyên nhân gây trở ngại cho cơ chế này. Ví dụ, tá dược trơn magie stearat là một dạng liên kết yếu, nếu cho vào
một lượng quá nhiều hoặc trộn quá kỹ với khối bột, sẽ đưa đến kết quả là quá trình bao viên tiếp theo sẽ kéo dài hơn và trong một số trường hợp làm cho viên mềm.
Khả năng hoà tan của chất rắn cũng phụ thuộc trên áp lực nén. Nếu một màng mỏng ẩm hiện diện trên bề mặt hạt rắn. Dưới áp lực cao ở điểm tiếp xúc có thể ép vật liệu thành dung dịch, sự hoà tan này sẽ kết tinh hoá để hình thành cầu rắn, cường độ của nó phụ thuộc vào tốc độ tái kết tinh, tốc độ chậm sẽ tạo ra những cấu trúc tinh thể hoàn thiện hơn với cường độ cao hơn.
Trong một số trường hợp khi sấy cốm quá khô, trong đó độ ẩm còn lại cực thấp, có chất lượng viên thấp hơn đã chứng minh vai trò quan trọng của ẩm.
9.2.4. Vai trò độ ẩm
Trong đa số các trường hợp khi sản xuất viên nén, capsul, độ ẩm còn lại trong cốm dưới 1%
là tối ưu.
Tuy nhiên theo số liệu thực nghiệm do Shotton và Rus công bố, độ ẩm còn lại trong cốm cực nhỏ (0,02%) có thể ảnh hưởng đến cường độ truyền lực xuống chày dưới, ở độ ẩm còn lại 0,55%
quá trình hoàn toàn đảo ngược so với vật liệu khô hoàn toàn.
Những nghiên cứu gần đây đã chứng minh phản ứng dehydrat nhiệt hoá dưới tác động của lực ép, tìm ra sự phụ thuộc trên nhiệt độ mà ở đó quá trình dehydrat hoá diễn ra.