Eigenschaften von Pulvern und Haufwerken
Pulver als disperse Systeme: wie man Teilchenform und Größenverteilung beschreibt, Feinheit über Siebnummern angibt, verschiedene Dichten unterscheidet und die spezifische Oberfläche einordnet.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Pulver ist ein Haufwerk fester Teilchen und damit ein disperses Mehrphasensystem aus Feststoff und Gas.
- Monoform/polyform beschreibt die Teilchengestalt, monodispers/polydispers die Einheitlichkeit der Teilchengröße (Äquivalentdurchmesser).
- Die Siebnummer ist die Maschenweite in µm. Mindestens 97 % des Pulvers müssen das zugehörige Sieb passieren, die Siebanalyse liefert die Korngrößenverteilung.
- Es gilt Kristalldichte ≥ Partikeldichte ≥ Stampfdichte ≥ Schüttdichte. Das Heliumpyknometer misst die wahre Dichte, das Quecksilberporosimeter Porosität und scheinbare Dichte.
- Zerkleinern, Mikronisierung und Porosität vergrößern die spezifische Oberfläche, Granulieren verkleinert sie.
- Amorphe Pulver haben keinen definierten Schmelzpunkt.
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Worum es geht
Fast jede feste Arzneiform beginnt als Pulver, vom Kapselinhalt bis zur Tablette. Ob ein Pulver gut fließt, sich gleichmäßig mischt oder schnell löst, hängt von wenigen Kenngrößen ab: Teilchengröße, Dichte und Oberfläche. Diese Einheit führt die Begriffe ein, mit denen man Pulver beschreibt.
Pulver als Haufwerk
Ein Haufwerk ist eine lose Ansammlung vieler fester Teilchen samt der Luft dazwischen. Jedes Pulver ist ein solches Haufwerk. Physikalisch ist es ein disperses System: Eine Phase liegt fein verteilt in einer anderen vor.
Beim Pulver bilden die festen Teilchen die disperse Phase, die umgebende Luft ist das Dispersionsmittel. Ein Pulver ist also ein disperses Mehrphasensystem aus Feststoff und Gas. Flüssige Systeme wie Suspensionen folgen später bei den dispersen Systemen.
Echte Pulverteilchen sind selten Kugeln. Um ihre Größe trotzdem mit einer Zahl anzugeben, nutzt man den Äquivalentdurchmesser. Das ist der Durchmesser einer Kugel, die in einer messbaren Eigenschaft mit dem Teilchen übereinstimmt, etwa im Volumen oder in der projizierten Fläche. Welcher Äquivalentdurchmesser gilt, hängt daher vom Messverfahren ab.
Teilchengestalt und Größenverteilung
Zwei Begriffspaare beschreiben ein Teilchenkollektiv. Monoform und polyform betreffen die Gestalt. Ein monoformes, auch isoformes System enthält Teilchen einheitlicher Form, ein polyformes Teilchen verschiedener Form.
Monodispers und polydispers betreffen dagegen die Größe. Im monodispersen System haben alle Teilchen denselben Äquivalentdurchmesser, im polydispersen streut er. Beide Paare sind unabhängig voneinander. So entstehen vier Kombinationen, die die Abbildung nebeneinanderstellt.
Zum Klassifizieren eines Teilchenbildes stellst du zwei Fragen nacheinander:
- Form prüfen: Sehen alle Teilchen gleich aus, etwa nur Kreise? Dann monoform, sonst polyform.
- Größe prüfen: Stimmen die Äquivalentdurchmesser überein? Dann monodispers, sonst polydispers.
- Kombinieren: Kreise verschiedener Größe ergeben ein monoformes polydisperses System. Kreise, Quadrate und Dreiecke gleicher Fläche sind polyform und monodispers.
Unterscheiden sich Form und Größe, liegt ein polyformes polydisperses System vor. Reale Arzneistoffpulver gehören meist in dieses Feld.
Siebanalyse
Die Feinheit oder den Zerkleinerungsgrad eines Pulvers gibt man über Siebnummern an. Die Siebnummer entspricht der nominellen Maschenweite des Siebes in Mikrometern. Für ein so gekennzeichnetes Pulver gilt nach Ph. Eur.: Mindestens 97 % des Haufwerks müssen das Sieb mit dieser Nummer passieren. Einzelne größere Teilchen werden also toleriert.
Die Siebnummer nennt die Maschenweite in µm, nicht den Durchmesser des Siebes in Millimetern. Sieb 180 hat also Maschen von 0,18 mm.
Die Siebnummer sagt nur, dass kaum ein Teilchen größer ist. Wie sich die Größen darunter verteilen, zeigt die Siebanalyse. Man stapelt Siebe mit nach unten abnehmender Maschenweite zu einem Siebturm, unten steht eine Auffangschale. Die Probe wird oben aufgegeben und gerüttelt, danach wiegt man den Rückstand jedes Siebes.
Trägt man den kumulierten Siebdurchgang gegen die Maschenweite auf, entsteht eine S-förmige Summenkurve. Aus ihr liest man die Korngrößenverteilung ab.
Haufwerksdichten
Dichte ist Masse durch Volumen. Bei Pulvern hängt der Wert davon ab, welches Volumen man zugrunde legt. Mit jedem Schritt vom Kristall zur losen Schüttung kommt Hohlraum hinzu, wie die Abbildung zeigt.
| Dichte | Bezugsvolumen | Bestimmung |
|---|---|---|
| Kristalldichte (wahre Dichte) | nur Feststoff, ohne Poren | kristallographische Daten, Heliumpyknometer |
| Partikeldichte (scheinbare Dichte) | Partikel samt inneren Poren | Quecksilberporosimeter |
| Stampfdichte | Haufwerk nach Stampfen | Messzylinder nach Stampfen |
| Schüttdichte | lose Schüttung mit allen Zwischenräumen | Messzylinder, lose befüllt |
Daraus folgt: Kristalldichte \(\geq\) Partikeldichte \(\geq\) Stampfdichte \(\geq\) Schüttdichte. Helium dringt als kleines Gasatom in feinste Poren ein und erfasst so das reine Feststoffvolumen. Quecksilber benetzt die Probe nicht und füllt Poren erst unter Druck. Daraus ergeben sich Porosität und scheinbare Dichte. Kristallographische Daten liefern nur die Dichte des Kristalls, über das Volumen eines Haufwerks sagen sie nichts.
Mischt man grobes mit feinem Pulver, rieseln die feinen Teilchen in die Lücken zwischen den groben. Das Mischvolumen ist dann kleiner als die Summe der Einzelvolumina. Diese Volumenkontraktion spielt bei Pulvermischungen eine Rolle.
Spezifische Oberfläche
Wie viel Fläche ein Pulver seiner Umgebung bietet, beschreibt eine eigene Kenngröße. Sie bestimmt mit, wie schnell sich ein Stoff löst und wie stark er Feuchtigkeit bindet.
Gesamtoberfläche der Teilchen bezogen auf ihre Masse, meist in \(\mathrm{m^2/g}\). Sie ist kein Quotient aus Schütt- und Stampfvolumen, denn dieser beschreibt nur die Verdichtbarkeit.
Zerkleinern vergrößert die spezifische Oberfläche, weil jede Bruchfläche neu hinzukommt. Ein Würfel mit 1 cm Kante hat 6 cm² Oberfläche. Zerlegt man ihn in 1000 Würfel mit 1 mm Kante, hat jeder 6 mm². Zusammen sind das 60 cm², das Zehnfache bei gleicher Masse.
Auch Porosität vergrößert die spezifische Oberfläche, weil die Porenwände mitzählen. Ein Extremfall ist hochdisperses Siliciumdioxid mit rund 200 m²/g. Granulieren wirkt umgekehrt. Beim Granulieren verbinden sich viele Teilchen zu einem Korn, die Kontaktflächen liegen innen. Ein Granulat hat daher eine kleinere spezifische Oberfläche als sein Ausgangspulver.
Mit der Oberfläche ändert sich das Sorptionsverhalten. An einer großen Oberfläche lagern sich mehr Wasserdampf, Gase oder gelöste Stoffe an. Feine Pulver ziehen deshalb leichter Feuchtigkeit.
Mikronisierung
Bei der Mikronisierung mahlt man einen Arzneistoff auf Partikel im Bereich weniger Mikrometer. Der mittlere Durchmesser sinkt, die spezifische Oberfläche steigt. Nach Noyes-Whitney beschleunigt das die Auflösung schwer löslicher Stoffe.
Sehr feine Teilchen haften aber stärker aneinander, weil Haftkräfte gegenüber ihrer Masse überwiegen. Mikronisierung kann so die Agglomerationsneigung erhöhen und verändert das Schüttvolumen. Ein mikronisiertes Pulver lässt sich daher in einer gegebenen Hilfsstoffmenge nicht leichter verteilen als ein gröberes.
Amorphe Pulver
Kristalline Pulver besitzen ein regelmäßiges Gitter, mehr dazu bei den kubischen Gittern. Dort sind alle Gitterbindungen gleich stark und brechen bei derselben Temperatur. Das ergibt einen scharfen Schmelzpunkt.
In amorphen Pulvern fehlt diese Fernordnung. Die Bindungen sind unterschiedlich stark und lösen sich nach und nach. Amorphe Pulver besitzen deshalb keinen definierten Schmelzpunkt, sondern erweichen über einen Temperaturbereich.
Quiz
Aussage 1
Ein Kollektiv aus Kreisen, Quadraten und Dreiecken, die alle dieselbe Fläche haben, ist polyform und monodispers.
Die Formen unterscheiden sich (polyform), der Äquivalentdurchmesser ist gleich (monodispers).
Aussage 2
Ein Granulat besitzt eine größere spezifische Oberfläche als das Pulver, aus dem es hergestellt wurde.
Beim Granulieren verbinden sich Teilchen, Kontaktflächen liegen innen. Die spezifische Oberfläche wird kleiner.
Aussage 3
Von einem Pulver, das durch eine Siebnummer gekennzeichnet ist, müssen mindestens 97 % das entsprechende Sieb passieren.
Das ist die Anforderung der Ph. Eur. an Pulver mit Siebnummer.
Aussage 4
Amorphe Pulver schmelzen wie kristalline bei einer scharf definierten Temperatur.
Amorphen Pulvern fehlt die Fernordnung. Sie haben keinen definierten Schmelzpunkt und erweichen über einen Temperaturbereich.
Aussage 5
Die Siebnummer des Arzneibuchs gibt die Maschenweite des Siebes in Millimetern an.
Die Siebnummer nennt die Maschenweite in Mikrometern. Sieb 180 hat Maschen von 0,18 mm.
Aussage 6
Mit dem Heliumpyknometer bestimmt man die wahre Dichte eines Feststoffs.
Helium dringt in feinste Poren ein und erfasst so nur das Feststoffvolumen.
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