Kathrin Meyer

• Die Fließeigenschaften von Pulvern spielen nicht nur in der pharmazeutischen Industrie, sondern auch in verschiedenen anderen Industriezweigen wie z.B. der Lebensmittelindustrie eine bedeutende Rolle. So werden Abfüllvorgänge durch schlechte Fließeigenschaften erschwert. Um die Fließeigenschaften zu verbessern werden Fließregulierungsmittel zugesetzt. Obwohl ihr Gebrauch weit verbreitet ist, ist über ihren Wirkungsmechanismus wenig bekannt. Deshalb sind im Rahmen dieser Arbeit 14 beliebige Nanomaterialien aus verschiedensten Einsatzgebieten aufDie Fließeigenschaften von Pulvern spielen nicht nur in der pharmazeutischen Industrie, sondern auch in verschiedenen anderen Industriezweigen wie z.B. der Lebensmittelindustrie eine bedeutende Rolle. So werden Abfüllvorgänge durch schlechte Fließeigenschaften erschwert. Um die Fließeigenschaften zu verbessern werden Fließregulierungsmittel zugesetzt. Obwohl ihr Gebrauch weit verbreitet ist, ist über ihren Wirkungsmechanismus wenig bekannt. Deshalb sind im Rahmen dieser Arbeit 14 beliebige Nanomaterialien aus verschiedensten Einsatzgebieten auf ihre fließregulierende Wirkung hin untersucht und bewertet worden. Dafür wurden im Turbulamischer binäre Pulvermischungen hergestellt und mittels Zugspannungstester und Analyse von REM-Aufnahmen ausgewertet. Dabei zeigte sich, dass die Fähigkeit eines Stoffes, als Fließregulierungsmittel zu wirken, in erster Linie unabhängig von seiner chemischen Natur ist. Auch seine Primärpartikelgröße erweist sich zur Bestimmung der fließregulierenden Wirkung als nicht aussagekräftig. Vielmehr werden die Agglomerate eines Nanomaterials wie künstliche Rauigkeiten an die Oberfläche des Trägermaterials adsorbiert. Die Arbeitshypothese konnte dadurch bestätigt werden: Die Reduktion der Zugspannung ist allein von zwei Faktoren abhängig: von der Größe der Agglomerate des Nanomaterials und von der Dichte, mit der diese Agglomerate die Oberfläche des Trägermaterials belegen. Ein Fließregulierungsmittel ist um so potenter, je kleiner seine Agglomerate sind und je dichter sie auf dem Trägermaterial angeordnet werden können. Theoretisch kann den Ergebnissen zufolge ein „freifließender“ Wirkstoff mit einem identischen Wirkstoff in Nanogröße als Fließverbesserer hergestellt werden. Die Auswirkungen der Einflussfaktoren wie die spezifische Oberfläche, die Oberflächenbeschaffenheit, die chemisch-physikalischen Eigenschaften wie Hydrophobie / Hydrophilie, die elektrostatische Aufladbarkeit und die Struktur können wie folgt zusammengefasst werden: Sie bestimmen die innerhalb eines Agglomerats wirksamen Kräfte (Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen, formschlüssige Bindungen). Können diese schnell überwunden werden, lassen sich die Agglomerate leicht zerkleinern. Somit belegen sie die Oberfläche des Trägers dicht und senken die Zugspannung dementsprechend stark ab. Da in hydrophoben Produkten keine Wasserstoffbrückenbindungen ausgebildet werden, sondern nur Van-der-Waals-Kräfte die Agglomerate aufbauen, setzen diese Produkte die Zugspannung insgesamt schneller und stärker herab als hydrophile Produkte. Es hat sich herausgestellt, dass der Mischvorgang neben der homogenen Verteilung des Nanomaterials zusätzlich eine Zerkleinerung der Agglomerate der hochdispersen Substanzen bewirkt. Dabei agieren die groben Trägerpartikel wie Kugeln in einer Kugelmühle, die hochdispersen Substanzen wie das zu zerkleinernde Gut. Daher steigt die Belegung des Trägermaterials während des Mischvorgangs an. Die Zugspannung sinkt. Nach Rumpf reduzieren Rauigkeiten die interpartikulären Haftkräfte.[1] Mit der vorliegenden Arbeit wird nachgewiesen, dass dieser Ansatz auch auf den Wirkmechanismus von Fließverbesserern übertragbar ist. Fließregulierungsmittel bewirken als künstliche Oberflächenrauigkeiten eine Verringerung der Kontaktfläche und eine Vergrößerung des Abstands zwischen zwei Partikeln. Dies führt zur Abnahme der Van-der-Waals-Kräfte. Der Versuch, die Wirkungsweise eines Fließverbesserers über den Kugellager-Effekt zu erklären, ist daher abzulehnen. Da der Ansatz von Rumpf mit einer Rauigkeit mittig im Kontaktbereich für reale Systeme nicht umfassend genug ist, konzentriert sich die vorliegende Arbeit besonders auf die tatsächliche Dichte der Belegung des Trägermaterials mit fließregulierenden Partikeln. Rechnerisch kann mit dem 3-Rauigkeiten-Modell begründet werden, warum die Belegungsdichte von besonderer Bedeutung ist. Literatur: [1] H. Rumpf, Chemie-Ingenieur-Technik 1974, 1, 1-11…
• The flowability of powders plays an important role not only in the pharmaceutical industry, but also in various other industrial branches like the food-processing industry. Especially filling processes are rendered difficult by poor flow properties of powders. In order to improve them flow conditioners are added. Despite of their wide use only little is known about the mechanism of action of flow conditioners. Therefore in the context of this work 14 randomly chosen nanomaterials from different fields of application have been tested andThe flowability of powders plays an important role not only in the pharmaceutical industry, but also in various other industrial branches like the food-processing industry. Especially filling processes are rendered difficult by poor flow properties of powders. In order to improve them flow conditioners are added. Despite of their wide use only little is known about the mechanism of action of flow conditioners. Therefore in the context of this work 14 randomly chosen nanomaterials from different fields of application have been tested and evaluated according to their improvement of flow properties. In order to do so, binary powder mixtures were produced in a turbula mixer and evaluated by means of a tensile strength tester and the analysis of scanning electron micrographs. It has been shown that the ability of a material to act as a flow conditioner does not primarily depend on its chemical nature. Also its primary particle size does not offer relevant information for determining the effectiveness of a glidant. In fact the agglomerates of a nanomaterial are adsorbed on the surface of the carrier like artificial roughness. The working hypothesis could thus be validated: The reduction of tensile strength only depends on two factors: the size of the agglomerates of the nanomaterial and the density with which these agglomerates cover the surface of the carrier. A glidant is the more potent, the smaller its agglomerates are and the denser they cover the carrier. According to these results theoretically a “free flowing” active ingredient could be produced with the identical nano-sized active ingredient as a flow agent. The effects of the influencing factors like the specific surface, the surface properties, the chemical-physical properties like hydrophobia / hydrophilia, the electrostatic rechargability and the structure can be summarized as follows: they determine the forces within an agglomerate (Van-der-Waals-forces, hydrogen bonds, form-fitting bonds). If those can be overcome quickly the agglomerates can be broken up easily. Consequently they cover the surface of the carrier densely and correspondingly they reduce the tensile strength significantly. As no hydrogen bonds are formed in hydrophobic products, only Van-der-Waals-forces build up the agglomerates. On the whole these products lower the tensile strength faster than the hydrophilic products. It has been shown that the process of blending causes not only the homogeneous distribution of the nanomaterial, but also the breaking up of the agglomerates of the highly dispersive substances. Here the coarse carrier particles act like balls in a ball mill. The coverage of the carrier therefore rises during the blending process. The tensile strength decreases. According to Rumpf roughness reduces the interparticular forces.[1] In this work it will be demonstrated that this approach can also be transferred to the mechanism of glidants. Glidants acting as an artificial surface roughness cause a reduction of the contact area and an increase in the distance between two particles. This leads to a decrease of the Van-der-Waals-forces. The attempt to explain the mechanism of action of a flow conditioner by means of the ball bearing effect therefore has to be rejected. As Rumpf‘s concept of one roughness in the centre of the contact area of two particles is not extensive enough for real systems, this work focuses on the actual coverage density of the carrier with glidant’s particles. By means of the 3-roughness-model it could be demonstrated arithmetically why the density coverage is very important. Literatur: [1] H. Rumpf, Chemie-Ingenieur-Technik 1974, 1, 1-11…