Области применения аэрозолей

Аэрозольные упаковки удобны в применении, обеспечивают быстрый  эффект при малых затратах веществ. Герметичность аэрозольной упаковки гарантирует защиту содержимого  от высыхания, действия влаги, загрязнения  микроорганизмами.

1.5. Пропелленты

1.5.1. Пропелленты и их  классификация

Пропеллент – газообразующий компонент аэрозоля, на потенциальной  энергии которого основан принцип  вытеснения содержимого баллона  и его диспергирования. Он должен отвечать следующим требованиям:

-  быть негорючим и  невзрывоопасным;

-  быть биологически  безвредным;

-  не оказывать раздражающего  действия на кожу и слизистые  оболочки;

-  обладать химической  совместимостью с лекарственными  веществами;

-  быть химически стойким  и не подвергаться гидролизу;

-  быть химически индифферентным  к упаковке - аэрозольному баллону;

-  не иметь запаха, вкуса  и цвета;

-  легко превращаться  в жидкость при небольшом избыточном  давлении (если его предполагается  использовать в сжиженном виде).

Классификация пропеллентов

Пропелленты классифицируют по химической природе и агрегатному  состоянию при температуре 20°С и  атмосферном давлении:

1.5.2. Сжиженные газы

Фреоны (хладоны) - фторхлорпроизводные  метана, этана, пропана, которые при  небольшом избыточном давлении и  невысокой температуре окружающей среды из газообразного состояния  переходят в жидкое. Применение хладонов удобно тем, что внутреннее давление в баллоне остается постоянным до тех пор, пока в нем находится  хотя бы капля сжиженного газа. По мере расходования препарата из аэрозольной  упаковки они переходят в газообразную фазу и поддерживают стабильное внутреннее давление, а также участвуют в  диспергировании препаратов.

Длительное и чрезвычайно  широкое применение фреонов привело  к значительным экологическим проблемам  – возникновению озоновых дыр  и «парниковому» эффекту, ведущим  к повышению солнечной инсоляции, нарушению регуляции морских  экосистем, увеличению риска развития рака кожи, катаракты, снижению иммунной защиты. В целях предотвращения экологической  катастрофы международным сообществом  было выработано соглашение (Венская  Конвенция 1985 г.), а в 1987 г. был принят Монреальский протокол (Montreal Protocol on Substance that deplete the Ozone Layer), призывающий ограничить производство и использование фреона. Согласно Монреальскому протоколу  в развитых странах производство и потребление фреонов должно было прекратиться с 1 января 1996 г. Временное  исключение было сделано для жизненно важных препаратов, необходимых для  поддержания здоровья и безопасности общества, при отсутствии технически и экономически доступных альтернатив, приемлемых с позиций охраны окружающей среды и здоровья.

1.5.3. Насыщенные углеводороды  парафинового ряда

Насыщенные углеводороды парафинового ряда (пропан, бутан, изобутан) значительно дешевле хладонов, неполярны, растворяются в спиртах, хлороформе, не гидролизуются в воде, легче  её, малотоксичны, но горючи и огнеопасны.

Углеводороды парафинового ряда стабильны в водных средах и  легче воды, поэтому употребляются  главным образом в водных растворах. В связи с горючестью их не используют в составах, где присутствуют органические растворители или другие огнеопасные  вещества. Из насыщенных парафиновых  углеводородов в производстве аэрозольных  упаковок применяются пропан, бутан, изобутан, пентан, изопентан, гептан и  др. Наиболее употребительны их смеси  с фреонами, которые при определенных соотношениях компонентов не дают вспышки.

Хлорзамешенные углеводороды (винилхлорид, метилхлорид, этилхлорид, метиленхлорид и метил-хлороформ) применяют для получения аэрозольных  составов как растворителя, так и  сорастворителя, так как они имеют  низкое давление паров. Они употребляются  не в отдельности, а только в смеси  с фреонами для снижения давления насыщенных паров основных пропеллентов. Применение хлорпроизводных пропеллентов оказалось выгодно экономически, но они разрушают пластмассовые  и резиновые упаковки, склонны  к гидролизу, причем с повышением температуры скорость гидролиза  быстро растет. Перечисленные выше отрицательные качества явились  причиной того, что хлорзамещенные углеводороды не нашли широкого применения в производстве фармацевтических аэрозолей.

 

1.5.4. Сжатые газы (трудносжижаемые)

Они нетоксичны, химически  инертны, негорючи и не оказывают  агрессивного воздействия на металлы  и полимерные материалы. Давление, оказываемое  ими на содержимое в баллоне, почти  не меняется под действием температуры, но постепенно уменьшается по мере расходования, что приводит к неполному  использованию содержимого баллона. Кроме того, вследствие падения давления изменяется характеристика струи (ее интенсивность, влажность, степень дисперсности). Газ  закачивается в баллон под давлением 5-6 атм и заполняет его на 2/3, что приводит к увеличению объема и веса баллона.

Азот наиболее часто используют в качестве пропеллента, при этом требуется специальное распылительное устройство, с помощью которого осуществляется механическое дробление струи распыляемой  жидкости, так как азот не взаимодействует  с растворителями и водой. Количество сжатого газа, необходимое для  выдачи содержимого упаковки, незначительно. Поэтому упаковка очень чувствительна  к утечке пропеллента, вызванной  либо недостаточной герметичностью, либо неосторожным обращением.

Азота закись - известна как  анестезирующее средство, хорошо растворяется в газообразном состоянии в жидкостях. Представляет собой газ, растворимый  в воде, имеющий склонность к реакциям окисления и восстановления. Закись азота не взрывается, не взаимодействует  с резиновыми и пластмассовыми деталями упаковок. Однако при использовании  закиси азота в качестве пропеллента  следует обратить внимание на то, что  в присутствии достаточно сильных  окислителей (перманганат калия  и т. п.) она может разлагаться  и окисляться с образованием двуокиси азота. Кроме того, имеются сведения, что закись азота может принимать  участие в процессах коррозии.

Углерода диоксид —  хорошо растворяется в воде, не токсичный  и не раздражающий дыхательные пути газ, используется как пропеллент для  косметических, фармацевтических и  пищевых продуктов.

1.5.5. Легколетучие органические  растворители

Легколетучие органические растворители (диметиловый, метилэтиловый  и диэтиловый эфиры).

Их отрицательные свойства – огнеопасность, взрывоопасность, наркотическое и раздражающее действия на дыхательные пути.

По величине давления насыщенных паров пропелленты подразделяют на основные и вспомогательные. Индивидуальные вещества, которые при 20 °С образуют избыточное внутреннее давление в упаковке (не ниже 2 атм), называют основными пропеллентами. Для снижения давления основные пропелленты  комбинируют со вспомогательными, которые  имеют низкое давление насыщенных паров (около 1 атм). Вспомогательные пропелленты  не могут служить выталкивающими агентами и добавляются к основным для получения смеси с требуемым  давлением насыщенных паров.

1.6. Свойства основных  типов пропеллентов.

При использовании в качестве пропеллентов сжиженных газов (если продукт смешивается с пропеллентом) дробление частиц происходит по двум механизмам.

Первый механизм состоит  в приложении механического усилия, которое действует на жидкость, когда  она выталкивается из баллона  через отверстие распылительной насадки в атмосферу.

Второй механизм заключается  в испарении сжиженных газов, которые после выхода продукта, бурно  испаряясь, дробят жидкость на мельчайшие частицы.

Если пропеллентом служит сжиженный газ, то в зависимости  от свойств жидкого продукта и  пропеллента различают два случая: 1) продукт и пропеллент совмещаются  и 2) продукт и пропеллент не совмещаются.

Первый случай относится  чаще всего к растворам на основе органических растворителей, совмещающихся  с фреонами (реже на основе воды). При  совмещении жидкого пропеллента  с жидким продуктом в аэрозольной  упаковке возникают две фазы –  газовая (смесь насыщенных паров  пропеллента и других летучих  жидкостей, включенных в рецептуру), которая занимает свободное пространство в упаковке, и жидкая (смесь продукта и жидкого пропеллента). Под давлением  газовой фазы жидкая фаза поднимается  по сифонной трубке и через клапанное  устройство попадает наружу, где пропеллент, бурно испаряясь, дробит жидкость на мельчайшие частицы. Так как продукт  с пропеллентом совмещаются, при  хранении расслоения жидкости не происходит. В случае распыления эмульсий, где  активное вещество является дисперсной фазой, пропеллент должен совмещаться  со смесью жидких компонентов состава, образующих дисперсионную среду. При  хранении аэрозольных упаковок эмульсии расслаиваются, причем образуются одна газовая фаза и две жидкие. При  открытом положении клапана, как  и в предыдущем примере, насыщенные пары пропеллента выдавливают эмульсию наружу, где она дробится на мелкие частички.

В обоих случаях газовая  фаза, состоящая в основном из насыщенных паров пропеллентов, служит для выдачи жидкой фазы в воздух при открытом положении клапана. Жидкая фаза, состоящая  из жидкого продукта и пропеллента, после выдачи из упаковки дробится в воздухе на мелкие частицы, благодаря  бурному испарению содержащегося  в ней пропеллента.

Размеры распыляемых частиц зависят от количества пропеллента  в содержимом баллона, температуры  кипения пропеллента, летучести  растворителя, температуры окружающей среды, вязкости продукта, конструкции  клапана и т. д.

Например, характер распыления при 20 0С в зависимости от количества пропеллента (фреон-12 или смесь фреонов 11 и 12) в жидкой фазе при одной  и той же конструкции клапана  имеет следующие особенности:

- при содержании пропеллента  в аэрозольной упаковке до 30% (от  массы) выдача продукта из упаковки  осуществляется в виде струи,  что используется только в  редких специальных случаях;

- при содержании пропеллента  от 30 до 50 вес.% получается грубое  распыление, которое почти не  применяется;

- составы, содержащие  от 50 до 60 вес.% пропеллента, употребляются  для распыления жидкостей, предназначенных  для нанесения на поверхности;

- составы, содержащие  от 70 до 90 вес. % пропеллента, используются  для распыления жидкостей с  целью образования облака из  мельчайших капель, которое способно  довольно долго удерживаться  в воздухе.

Внутреннее давление в  упаковке не влияет непосредственно  на размер частиц, так как оно  определяется не количеством сжиженного газа в баллоне, а давлением его  насыщенного пара, которое остается постоянным, пока не будет израсходована  последняя капля пропеллента. От внутреннего давления зависит в  некоторой степени конус распыления и режим расхода содержимого.

Температура окружающей среды  влияет на распыление следующим образом. Во-первых, давление насыщенного пара пропеллента находится в прямой зависимости от температуры, т. е. при  понижении температуры – понижается, при повышении — повышается. Во-вторых, растворители улетучиваются быстрее  при повышенных температурах, чем  при низких. В-третьих, если используются вещества, вязкость которых сильно колеблется с изменением температуры, тогда и размеры образующихся частиц также будут зависеть от изменений  температуры. Иногда при повышении  температуры содержимое баллона  расслаивается. Это явление исчезает при повышении температуры.

Летучесть растворителей  также влияет на размеры частиц. Чем более легколетучи растворители, тем дисперсность распыления выше, и наоборот. Конструкция используемых клапанов также определяет дисперсность струи.

Если продукт и пропеллент несовместимы, то в качестве пропеллентов в таких системах применяются  сжиженные пропан, бутан, изобутан и  другие парафиновые углеводороды. Водный раствор и жидкий пропеллент образуют две отдельные жидкие фазы, где  вода образует нижний слой, а парафиновые  углеводороды (плотностью 0,5 – 0,6) –  верхний слой. Пары пропеллентов образуют газовую фазу.

Такие аэрозольные упаковки перед употреблением не разрешается  взбалтывать, т.к. жидкий пропеллент здесь  служит только для снабжения парами газовой фазы. Последняя обеспечивает соответствующее давление в упаковке. В отличие от предыдущего случая, здесь характер распыления зависит  от внутреннего давления. Пропеллент, не совмещенный с водным раствором, в самом процессе дробления жидкости в воздухе не участвует. Для этой цели применяются специальные конструкции  распылительных головок, которые механически  дробят струю на мелкие частицы. Характер распыления зависит от силы подачи продукта в головку.

Сжатые газы, используемые для распыления растворов, не обеспечивают выдачу продукта из аэрозольных упаковок, так как по мере работы такой упаковки давление в ней падает и может  сравняться с атмосферным раньше, чем весь продукт будет использован. Сжатые газы нерастворимы в воде или  растворяются в ней очень мало. Если газ в какой-то степени растворяется в воде, то осуществляется полная выдача продукта из упаковки. Азот, который  практически не растворяется в воде, не выдает из аэрозольной упаковки до 10% состава, а закись азота и  углекислый газ, которые в небольших  количествах растворимы в воде, обеспечивают полную выдачу продукта.

При использовании сжатых газов следует опасаться утечки пропеллента, так как даже незначительная утечка пропеллента может привести к неполной выдаче продукта. При  распылении аерозолей с помощью  сжатых газов в упаковке имеется  только одна жидкая фаза, и перед  употреблением не требуется предварительно взбалтывать баллон.

Жидкости, которые при  выдаче из упаковки образуют пену, являются водными растворами активного вещества и пенообразователя. Так как пропеллент в этом случае не должен совмещаться  с раствором, в подобных составах употребляют фреоны, а также парафиновые  углеводороды. Они образуют в данном случае эмульсии, в которых дисперсионной  средой является водный раствор, а дисперсной фазой — фреон. Количество пропеллента  не превышает 20 вес. %. При хранении эмульсия может расслаиваться, поэтому перед  употреблением необходимо аэрозольную  упаковку взбалтывать. После попадания  эмульсии в воздух, фреон начинает испаряться и пузырьки газа, находящиеся  в жидком продукте, постепенно увеличиваясь в объеме, образуют пену, т. е. сравнительно грубую, высококонцентрированную дисперсию  паров пропеллента в жидком продукте.