Ускоренное старение при повышенной температуре
Температура влияет на скорость химических реакций. Как правило, при повышении температуры скорость химических реакций увеличивается.
Зависимость скорости реакции от температуры приближенно описывается эмпирическим правилом Вант-Гоффа. Оно читается так:
при повышении температуры на 10° скорость реакций увеличивается примерно в 2-4 раза.
– температурный коэффициент скорости реакции, принимающий значения от 2 до 4.
Если же температура возрастает от t1 до Т2, то для небольших интервалов температур правило Вант-Гоффа выполняется в виде:
, откуда .
Правило Вант-Гоффа используется в методе “ускоренного старения лекарственной формы”.
Метод позволяет определять:
1. Срок годности (время хранения) лекарственной формы.
2. Условия хранения (температуру, при которой обеспечивается заданный срок годности).
Под сроком годности подразумевают время, в течение которого препарат сохраняет 90% своей фармакологической активности, т.е. время, в течение которого превращению подвергается 10% действующего начала (лекарственного вещества в лекарственной форме). Для некоторых препаратов эта цифра составляет 5%.
Для определения срока годности лекарственного препарата образец препарата выдерживают при повышенной температуре Т2 по сравнению с температурой хранения t1. Повышение температуры ускоряет течение процессов, приводящих к потере активности препарата при температуре хранения.
Температура опыта выбирается такой, чтобы она не вызывала дополнительных побочных превращений и была на 10nвыше температуры хранения (n – целое число).
Итак: t1 -температура хранения лекарственного препарата;
Т2 – температура опыта.
Т2 = t1+10n
Определяют время t2, в течение которого превращению подвергается 10% действующего начала, что соответствует массе m.. На основании полученной величины рассчитывают скорость превращения лекарственного вещества при температуре Т2:
(1)
– константа скорости реакции превращения лекарственного вещества при Т2,
– его начальная концентрация.
По этой же закономерности можно было бы рассчитать скорость превращения лекарственного вещества при температуре Т1
(2)
– константа скорости реакции превращения лекарственного вещества при t1,
– время хранения (срок годности).
разделив (1) на (2), получаем: , откуда .
Далее для расчета применяется правило Вант-Гоффа: , но Т2 – t1 = t1+ 10n – t1 = 10n, следовательно, , откуда
Было принято допущение, что γ = 2. Для более точного определения срока годности данным методом необходимо экспериментально определить γ для данного превращения.
Более точную математическую зависимость скорости реакции от температуры устанавливает уравнение Аррениуса. Эмпирическоеуравнение Аррениуса имеет вид:
– константа скорости, Т – температура, А и В – эмпирические константы.
Уравнение показывает линейную зависимость от .. Аррениусом было установлено, что график этой зависимости имеет следующий вид:
Рис.1.
Для нахождения физического смысла константы А уравнения Аррениуса используют уравнение изобары химической реакции, устанавливающее зависимость константы равновесия обратимой химической реакции от температуры:
– константа равновесия обратимой химической реакции,
– тепловой эффект реакции.
Если принять, что , где – константа скорости прямой реакции, – константа скорости обратной реакции, а величину рассматривать как разность двух энергетических величин и ,т. е. ,то сделав элементарные математические преобразования и приняв некоторые допущения, можно получить:
– уравнение Аррениуса в дифференциальнойформе.
Дальнейшее математическое преобразование дает уравнение вида:
– аналитическоеуравнение Аррениуса. (см. вывод -учебник В. А.Киреева, §198).
Сопоставляя аналитическое и эмпирическое уравнения Аррениуса, получаем, что эмпирическая
константа . Величина Еа – энергия активации.
Если в аналитическом уравнении Аррениуса константу В заменить на , уравнение будет иметь вид: и его можно записать так:
уравнение Аррениуса в экспоненциальнойформе (е – основание натурального логарифма).
– предэкспоненциальный множитель – величина, пропорциональная общему количеству столкновений всех молекул в единице объема за единицу времени.
Аналитическое уравнение Аррениуса в виде обосновывает обратный характер линейной зависимости от (См. рис.1).
Физический смысл энергии активации.
Условием протекания реакции является столкновение молекул, однако еще Аррениус указал, что не каждое столкновение приводит к химическому превращению. Столкновения между частицами, приводящие к химическому превращению, называют эффективными.Они возможны между активными молекулами. Активныминазываются молекулы, обладающие в момент столкновения необходимым избытком энергии по сравнению со средней величиной и способные вступать в химическое взаимодействие. Среди молекул при заданных условиях всегда имеются молекулы, обладающие избытком энергии, достаточным для химического взаимодействия – активные молекулы.
Число активных молекул N связано с общим числом молекул в системе No соотношением:
В это уравнение также входит величина Еа.Дадим такое определение энергии активации:
Энергия активации – это то избыточное количество энергии (по сравнению со средней величиной), которой должны обладать молекулы в момент столкновения, чтобы быть способными к данному химическому взаимодействию.
Проиллюстрировать понятие энергии активации можно с помощью рисунка 17.8 учебника К.И.Евстратовой…(стр.284-285). Необходимо обратить внимание, на то, что разность средних энергий уровней II и I равна тепловому эффекту реакции.
Из анализа рисунка вытекает определение понятию энергетический барьер– минимальный запас
энергии молекул, при котором происходит химическое взаимодействие.
Энергия активации реакции Еа зависит от природы реагирующих веществ и катализатора и не зависит от температуры. Для реакций, протекающих в растворах, энергия активации зависит от природы растворителя.
Скорость реакции зависит от Еа.Чем выше энергия активации, тем при данных условиях меньше активных молекул и ниже скорость реакции.
С повышением температуры быстрее увеличивается скорость той реакции, энергия актива-ции которой выше (обоснование вытекает из анализа уравнения Аррениуса в дифференциальной форме).
В ряде случаев расчет константы скорости по уравнению дает завышенный результат. Чтобы расчетные данные в таких реакциях совпадали с опытными
значениями, в уравнение для расчета константы скорости вводят дополнительный множитель Р,
называемый стерическим фактором.Стерический фактор учитывает пространственную ориентацию молекул в момент столкновения. Уравнение для расчета константы скорости приобретает
вид: –
При неблагоприятной ориентации Р < 1, при благоприятной – Р = 1.
Способы определения энергии активации.
1. Графический:
2. Расчетный, основанный на измерении константы скорости реакции при двух температурах t1 и Т2.
(1)
(2)
Вычитая из первого уравнения второе, получаем:
, откуда
Определив константу скорости реакции при одной температуре (T1) и зная энергию активации реакции, можно рассчитать константу скорости реакции при другой температуре (Т2) по уравнению:
Источник
Ускоренное старение – это испытание, при котором для ускорения используются отягощенные условия тепла, влажности, кислорода, солнечного света, вибрации и т. Д. нормальные процессы старения предметов. Он используется для определения долгосрочных эффектов ожидаемых уровней стресса в более короткие сроки, обычно в лаборатории с помощью контролируемых стандартныхметодов тестирования . Он используется для оценки полезного срока службы продукта или его срока годности , когда фактические данные о сроке службы недоступны. Это происходит с продуктами, которые не существовали достаточно долго, чтобы пройти свой полезный срок службы: например, новый тип автомобильного двигателя или новый полимер для замены суставов.
Физические испытания или химические испытания проводятся путем воздействия на продукт
- репрезентативных уровней стресса в течение длительных периодов времени,
- необычно высоких уровней стресса, используемых для ускоряют эффекты естественного старения или
- уровни напряжения, которые намеренно вызывают отказы (для дальнейшего анализа).
Механические части работают с очень высокой скоростью, намного превышающей ту, которую они получили бы при нормальном использовании . Полимеры часто хранят при повышенных температурах, чтобы ускорить химический распад. Экологические камеры часто используются.
Кроме того, тестируемое устройство или материал может подвергаться быстрым (но контролируемым) изменениям температуры, влажности, давления, деформации и т. Д. Например, циклы тепла и холода могут имитировать эффект дня и ночь на несколько часов или минут.
Библиотечное и архивное дело сохранения
Ускоренное старение также используется в библиотечной и архивной науке. В этом контексте материал, обычно бумага, подвергается воздействию экстремальных условий с целью ускорения процесса естественного старения. Обычно экстремальные условия заключаются в повышенной температуре, но существуют также тесты с использованием концентрированных загрязнителей или интенсивного света. Эти тесты могут использоваться для нескольких целей.
- Для прогнозирования долгосрочных эффектов определенных консервативных процедур. В таком тесте как обработанная, так и необработанная бумага подвергается единому набору фиксированных стандартизованных условий. Затем эти два показателя сравниваются, чтобы определить, оказывает ли обработка положительное или отрицательное влияние на срок службы бумаги.
- Для изучения основных процессов разложения бумаги. Цель такого теста не в том, чтобы предсказать конкретный результат для определенного типа бумаги, а в том, чтобы лучше понять химические механизмы разложения.
- Предсказать продолжительность жизни определенного типа бумаги. бумага. В таком испытании образцы бумаги обычно подвергаются нескольким повышенным температурам и постоянному уровню относительной влажности, эквивалентному относительной влажности, при которой они будут храниться. Затем исследователь измеряет соответствующее качество образцов, например стойкость к складыванию, при каждой температуре. Это позволяет исследователю определить, сколько дней при каждой температуре требуется для достижения определенного уровня разложения. На основе собранных данных исследователь экстраполирует скорость, с которой образцы могут разлагаться при более низких температурах, таких как те, при которых бумага будет храниться при нормальных условиях. Теоретически это позволяет исследователю прогнозировать срок службы бумаги. Этот тест основан на уравнении Аррениуса . Однако этот тип испытаний является предметом частой критики.
Не существует единого рекомендуемого набора условий, при которых следует проводить эти испытания. Фактически, использовались температуры от 22 до 160 градусов Цельсия, относительная влажность от 1% до 100% и продолжительность испытаний от одного часа до 180 дней. ISO 5630-3 рекомендует ускоренное старение при 80 градусах Цельсия и относительной влажности 65% при использовании фиксированного набора условий.
Помимо различий в условиях, которым подвергаются документы, существует также несколько способов проведения теста. Например, вместо того, чтобы просто помещать отдельные листы в камеру с контролируемым климатом, Библиотека Конгресса рекомендует запечатывать образцы в герметичной стеклянной трубке и выдерживать бумагу штабелями, что более похоже на то, как они, вероятно, стареют ниже в нормальных условиях, а не на отдельных листах.
История
Техника искусственного ускорения разрушения бумаги под воздействием тепла была известна к 1899 году, когда ее описал В. Герцберг. Ускоренное старение было дополнительно усовершенствовано в течение 1920-х годов, с использованием солнечного света и повышенных температур, чтобы оценить долговечность различных бумаг в США и Швеции. В 1929 году Р. Х. Раш разработал часто используемый метод, при котором 72 часа при 100 градусах Цельсия считаются эквивалентными 18-25 годам естественного старения.
В 1950-х годах исследователи начали сомневаться в обоснованности ускоренного старения. испытания на старение, основанные на сухом тепле и одной температуре, указывающие на то, что относительная влажность влияет на химические процессы, вызывающие разрушение бумаги, и что реакции, вызывающие разрушение, имеют разные энергии активации . Это побудило таких исследователей, как Баер и Линдстрём, отстаивать методы ускоренного старения с использованием уравнения Аррениуса и реалистичной относительной влажности.
Критика
Методы ускоренного старения, особенно те, которые используют уравнение Аррениуса, часто подвергались критике. в последние десятилетия. Хотя некоторые исследователи утверждают, что уравнение Аррениуса можно использовать для количественного прогнозирования продолжительности жизни проверенных документов, другие исследователи не согласны с этим. Многие утверждают, что этот метод не может предсказать точный срок службы проверенных документов, но его можно использовать для ранжирования документов по постоянству. Некоторые исследователи утверждают, что даже такие рейтинги могут быть обманчивыми и что эти типы тестов на ускоренное старение могут использоваться только для определения того, оказывает ли конкретная обработка или качество бумаги положительное или отрицательное влияние на стойкость бумаги.
У такого скептицизма есть несколько причин. Один аргумент состоит в том, что совершенно разные химические процессы происходят при более высоких температурах, чем при более низких температурах, что означает, что процесс ускоренного старения и процесс естественного старения не параллельны. Во-вторых, бумага представляет собой «сложную систему», а уравнение Аррениуса применимо только к элементарным реакциям. Другие исследователи критикуют способы измерения износа в ходе этих экспериментов. Некоторые отмечают, что не существует стандартного момента, когда документ считается непригодным для использования в библиотеке и архиве. Другие утверждают, что степень корреляции между макроскопическими механическими свойствами бумаги и молекулярным химическим ухудшением не была убедительно доказана. Были задокументированы оговорки относительно применимости этого метода в автомобильной промышленности в качестве метода оценки коррозионных характеристик
В целях повышения качества испытаний на ускоренное старение некоторые исследователи начали сравнивать материалы, подвергшиеся ускоренному старению. материалам, подвергшимся естественному старению. Библиотека Конгресса, например, в 2000 году начала долгосрочный эксперимент по сравнению искусственно состаренных материалов с материалами, которым разрешено естественное старение в течение ста лет.
См. Также
- Уравнение Аррениуса
- Скрининг стресса окружающей среды
- Экологическая камера
- Высоко ускоренный ресурсный тест
- Планируемое устаревание
Ссылки
Внешние ссылки
- Журнал «Медицинские пластмассы и биоматериалы»
Источник
Конечно, самый надежный способ оценки стабильности – хранить образцы в течение всего срока годности (например, 6 или 12 месяцев) при стандартных условиях, периодически проверяя характеристики продукта. Технически это, может быть, и обоснованно, но с коммерческой точки зрения нецелесообразно, иначе продукция рискует устареть к моменту ее серийного производства. Поэтому в действительности перед запуском продукта в производство проводят ускоренные тесты, а наблюдение за поведением продукта в реальном времени продолжается все время, пока он выпускается. Эти тесты утверждены и выполняются во всем мире, это позволяет существенно облегчить контроль производителей со стороны государственных структур. Таких тестов обычно несколько:
1) Тест на ускоренное старение (хранение образцов при повышенной температуре)
Принцип ускоренного старения для оценки стабильности и срока годности продукции позаимствован у фармацевтической промышленности. Методология тестирования основана на хранении образцов при повышенной температуре: согласно правилу Вант-Гоффа, скорость увеличивается в 2-4 раза при повышении температуры на 10 °С, да и микроорганизмы с повышением температуры ведут себя активнее. Это позволяет быстрее выявить проблемы, которые могут возникнуть при хранении средства в обычных условиях. Кроме того, тест на ускоренное старение применяется и для прогнозирования срока годности. Например, считается, что эмульсия, стабильная при 40 °С в течение шести месяцев, либо трех месяцев при 45 °С, может храниться два года в стандартных условиях.
Ускоренное старение проводят при различных температурах – 37, 40 или 45 °С, иногда даже выше. Обычная продолжительность теста – несколько месяцев (от двух до шести). Через определенные промежутки времени образцы проверяют по определенным показателям и сравнивают с показателями в начале теста и с данными для образцов контрольной группы. Образцы контрольной группы хранят при 4 °С (плюс-минус два градуса): при такой температуре физико-химические и микробиологические процессы, хоть и не прекращаются совсем, но протекают достаточно медленно. Длительность хранения контрольных образцов должна совпадать с длительностью хранения образцов в самом продолжительном тесте; при этом очень важно поддерживать стабильную температуру хранения. Ускоренное старение дает ценные данные, позволяющие определить неприемлемые условия хранения, а также отсечь заведомо неудачные составы, демонстрирующие нестабильность. Так, продукт, нестабильный при очень высокой температуре, не обязательно будет нестабилен в реальных условиях использования. Но, с другой стороны, если средство оказалось стабильным в тесте на ускоренное старение, оно будет стабильным и при обычных условиях.
2) Тест на стрессовые температурные воздействия (циклы замораживания/размораживания или охлаждения/нагревания);
Температурные циклы дают важную информацию по стабильности рецептуры. Особенно показательно их проведение в случае эмульсий. Обычно проводят пять циклов замораживания/размораживания (от -10 °С до комнатной температуры в течение 24 или 48 часов). Иногда образцы оцениваются на стабильность при перепадах положительных температур: для этого их помещают в специальную камеру, в которой температура меняется от 4 до 45 °С каждые 48 часов в течение месяца.
3) Тест на провокационное заражение (challenge test),
Тест на провокационное заражение (challenge test) также служит ценным инструментом прогнозирования срока годности продукции. Суть теста состоит в том, что испытываемые образцы заражают определенными штаммами микроорганизмов, а через определенные промежутки времени (например, через 6 часов, 24 часа, 7 дней, 14 дней, 21 день и 28 дней) отбирают аликвоты, делают посев и подсчитывают образующиеся колонии. Количество КОЕ/мл на определенном этапе теста указывает на способность системы консервантов справиться с заражением. Обычно это выражается посредством величины десятикратного сокращения D – времени, необходимого для уменьшения популяции тестовых микроорганизмов в десять раз. Например, для неадаптированных грамотрицательных бактерий значение D должно быть около 30 часов. Это означает, что, если консервант не сможет справиться с внесенным заражением за первые 30 часов, то микроорганизмы в продукте будут продолжать существовать и размножаться. Данный тест позволяет оценить способность выбранной системы консервантов защищать продукт от микробиологической порчи;
4) Проверка фотостабильности;
Тест на фотостабильность можно проводить в реальных условиях (как правило, это воздействие дневного света с северной стороны в течение месяца), но в этом случае тест невозможно стандартизировать и обеспечить воспроизводимость условий. Поэтому для таких испытаний чаще используют искусственное освещение со спектром, близким к спектру солнечного света. Обычно в качестве источника света применяют дуговую лампу с угольными электродами или ксеноновую дуговую лампу, причем последняя предпочтительнее по спектральным характеристикам. Стабильность образцов оценивается через определенные промежутки времени по степени изменения цвета, а также по запаху, внешнему виду и консистенции в сравнении с контрольным образцом, хранившимся в темноте. Кроме того, некоторые производители проверяют устойчивость продукции при искусственном освещении, характерном для торговых залов.
5) Проверка совместимости с упаковкой.
Оценку совместимости продукта с упаковкой в идеале следует проводить именно в той упаковке, в которой он будет продаваться. Например, известно, что парабены, бензойная, сорбиновая и салициловая кислоты адсорбируются полиэтиленом, поэтому полиэтиленовую тару не рекомендуется использовать для рецептур, содержащих данные компоненты. Контрольные образцы для такого теста хранятся в упаковке из инертного материала (обычно это герметичная емкость из стекла), чтобы удостовериться, что изменения (если таковые наблюдаются) обусловлены взаимодействием продукта с упаковкой, а не присущи самой рецептуре. Проблемы совместимости продукта с упаковкой могут приводить к проблемам с перевозкой и хранением. Плохие барьерные свойства могут приводить к улетучиванию отдушки, выцветанию, окислению в результате проникновения кислорода, потере веса при хранении и т.п. Наконец, несовместимость с упаковкой может приводить к деформации, растрескиванию, размягчению или набуханию упаковки, адсорбции ингредиентов на внутренней поверхности (в том числе и консервантов), миграции красителей и других компонентов материала упаковки в продукт. Такой тест также полезен в плане получения информации для прогнозирования срока годности.
Все эти тесты нужно обязательно проводить при серийном производстве косметики. Но для проведения большинства из них нужно специальное оборудование и условия, отсутствующие в домашних условиях. Самый доступный тест – на стрессовые температурные воздействия, его мы рекомендуем проводить дома. Он позволит оценить стабильность рецептуры и уберечь начинающих производителей от ошибок на старте. И все же, при производстве косметики на продажу, если речь идет уже о партиях продукции и более-менее регулярном производстве, крайне желательно проводить микробиологические испытания продукции – периодически отдавать образцы в испытательную лабораторию.
Источник