Dissolution of Polydisperse Polymers in Water

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Vi lever alla med polymerer i och omkring oss. Till exempel är musklernas proteiner polymerer, plaster är polymera material och cellulosan i det papper du håller i handen är en polymer. Polymerer är långa kedjelika molekyler. Liksom en kedja är sammansatt av många länkar består en polymermolekyl av många kemiska enheter. Strukturen hos den enklaste typen av polymer kan liknas vid en kedja bestående av en sorts länkar, denna polymer kallas då för homopolymer. Andra polymerer har en mer komplicerad struktur. Genom att blanda olika typer av länkar i molekylen får man en sampolymer, och genom att fästa sidokedjor av olika längd på sin ursprungskedja får man en grenad polymer. Beroende på hur polymeren ser ut så får den olika egenskaper. Man tillverkar polymerer genom att blanda de kemiska enheterna som ska ingå i polymeren med ämnen som startar en kedjereaktion men också med ämnen som avslutar kedjereaktionen. Sedan är det slumpen som avgör hur snart den växande kedjan träffar på ett ämne som avslutar kedjebildningen och därmed också hur lång kedjan blir. I det resulterande polymerprovet finns alltså en mängd olika längder på molekylerna, man säger att polymeren är polydispers med avseende på molekylernas längd. Polydispersitet är alltså en karakteristisk egenskap för polymerer. En egenskap hos polymerer i lösning är att de, redan vid låga koncentrationer, gör lösningen trögflytande (som en välredd brunsås). Man säger att lösningen har hög viskositet, och viskositeten kan mätas på olika sätt. Ökar man polymerkoncentrationen ytterligare blir lösningen svår att hälla, konsistensen blir mer lik gelé. Detta beror på att de långa polymermolekylerna i lösningen har trasslat in sig i varandra och inte längre kan förflytta sig med lätthet. Denna avhandling behandlar upplösning av polymerer i vatten. Eftersom molekylerna i ett polymerprov ligger intrasslade i varandra blir upplösningsförloppet ett annat än när man t ex löser upp en sockerbit i en kopp kaffe. En sockerbit är borta på några sekunder medan motsvarande polymerbit troligen skulle behöva flera dygn innan den har försvunnit. När vattnet går in i polymerbiten kommer det först att bildas ett geléliknande lager runt den del av tabletten som fortfarande är torr. Man brukar kalla detta lager för gellagret. I och med att mer vatten går in kommer gellagret att svälla och bli tjockare. Hur tjockt det blir beror på polymerens längd. Polymer börjar också frisättas från ytan på gellagret och gå ut i omgivande lösning. Vattnet tränger samtidigt sakteligen allt djupare in i den torra delen av tabletten. Denna kommer därför gradvis att minska i storlek, och till sist återstår bara en gelklump av polymer att frisätta. Man brukar i litteraturen ofta tänka sig frisättningen av polymer från gelen som att molekylerna slingrar sig som ormar förbi omgivande molekyler tills de når lösningen. Kortare molekyler kan röra sig snabbare än de längre molekylerna, och når därför också lösningen snabbare. Varför är då polymerupplösning praktiskt relevant? För att besvara den frågan tar jag ett exempel från läkemedelsindustrin. Om man ska behandla ett tillstånd som t.ex. högt blodtryck kommer man att behöva medicinera ganska länge, förmodligen flera år. Det skulle då underlätta mycket om man bara behövde ta en tablett om dagen. Men även om tabletten tas sällan måste koncentrationen av läkemedlet i blodet vara tillräckligt hög för att hela tiden ha en blodtryckssänkande effekt. En lösning på detta problem har visat sig vara att blanda läkemedlet med en polymer och göra en tablett av blandningen. När polymertabletten kommer ner till vätskan i magen kommer vatten att penetrera tabletten som jag beskrev ovan. Det läkemedel som då ligger i det bildade gellagret är fritt att frisättas från tabletten, medan läkemedlet i den torra polymerkärnan ligger skyddat. Tack vare att polymeren löses upp långsamt under färden genom mage och tarm (en resa som vanligen tar runt 24 timmar) kommer läkemedlet att frisättas så långsamt att det hela tiden håller en lagom nivå i blodet. Det har redan gjorts mycket forskning inom ämnet polymerupplösning, både experimentellt och teoretiskt. Man har försökt komma på olika sätt att förklara hur upplösningen går till samt beräkna hur lång tid upplösningen ska ta. Men eftersom det har varit enklare att beräkna polymerupplösningen om man antar att polymeren är monodispers (alla molekyler lika långa) har man oftast blundat för att polymerer är polydispersa. Målsättningen med detta doktorandarbete har därför varit att försöka förstå hur en polydispers polymertablett löses upp, hur de olika långa polymermolekylerna frisätts från tabletten samt att försöka hitta en egenskap hos polymeren som går att använda för att förutsäga tablettens upplösningshastighet oavsett hur polydispers polymeren är. För att få en bättre uppfattning om detta har jag överdrivit polydispersiteten i vissa tabletter genom att blandat en kort och en lång polymer i tabletten. Om jag då jämförde två tabletter som hade samma upplösningshastighet, men där den ena tabletten var blandad och därmed också mycket mer polydispers än den andra, kunde jag se att tabletterna trots denna skillnad i polydispersitet fick lika tjocka gellager. Dessutom visade det sig att polymerlösningar från dessa tabletter också hade samma förhållande mellan viskositet och koncentration. Jag kunde dessutom se att både den korta och den långa polymeren frisattes lika fort från den blandade tabletten. Detta stämmer inte riktigt överens med hur polymerfrisättningen beskrevs ovan. Med dessa resultat i ryggen föreslog vi därför en annan modell för hur upplösningen av en polydispers polymertablett går till. Vi tror att eftersom vatten rör sig så väldigt mycket snabbare än också den kortaste polymeren i tabletten kommer inte polymermolekylerna att hinna röra sig relativt varandra i gellagret. I stället hinner vattnet späda ut gelen tills den yttre delen av gellagret blir så utspädd att det inte längre kan hålla sig kvar på tabletten. Det som avgör när den yttersta delen av gellagret lossnar är viskositeten i detta skikt. Ett viskositetsmått som kallas gränsviskositeten visade sig också kunna förutsäga upplösningshastigheten hos tabletten relativt bra, oavsett tablettens polydispersitet.