Yt- och bulkerosion

Ett diagram som visar yterosion (vänster) och bulkerosion (höger). Vid yterosion bryts materialet endast ned på ytan vilket gör att materialet "avkastar" sin yta med tiden. Vid bulkerosion förlorar materialet lika mycket volym, vilket representeras av de blekande färgerna.

Yt- och bulkerosion är två olika former av erosion som beskriver hur en nedbrytande polymer eroderar. Vid yterosion bryts polymeren ned från den yttre ytan. Materialets insida bryts inte ned förrän allt omgivande material runt det har bryts ned. Vid bulkerosion sker nedbrytning lika mycket i hela materialet. Både ytan och insidan av materialet försämras. Yterosion och bulkerosion är inte exklusiva, många material genomgår en kombination av yt- och bulkerosion. Därför kan yt- och bulkerosion ses som ett spektrum istället för två separata kategorier.

Erosionskinetik

Vid yterosion är erosionshastigheten direkt proportionell mot materialets yta. För mycket tunna material förblir ytarean relativt konstant när materialet bryts ned, vilket gör att yterosion kan karakteriseras som släpp av noll ordningen eftersom nedbrytningshastigheten är konstant. Vid bulkrosion beror erosionshastigheten på materialets volym. På grund av nedbrytning minskar materialets volym under bulkerosion vilket gör att erosionshastigheten minskar med tiden. Därför är bulkerosionshastigheter svåra att kontrollera eftersom de inte är av noll ordning. För att avgöra om en polymer kommer att genomgå yt- eller bulkerosion, måste nedbrytningshastigheten för polymeren i vatten (hur snabbt polymeren reagerar på vatten) och diffusionshastigheten för vatten som penetrerar genom materialet beaktas. Om nedbrytningsprocessen går snabbare än diffusionsprocessen uppstår yterosion eftersom materialets yta snabbt bryts ned innan vatten hinner diffundera och tränga igenom materialet. Om diffusionsprocessen är snabbare än nedbrytningsprocessen kommer bulkerosion att inträffa eftersom vatten tränger igenom materialet innan betydande erosion inträffar på ytan. Kinetiken för erosionen av en polymer kan modifieras genom att ändra diffusionsprocessen eller nedbrytningsprocessen. Blandning av en polymer med en annan polymer som är mycket reaktiv mot vatten kommer till exempel att påskynda nedbrytningsprocessen och orsaka yterosion. Å andra sidan kommer en minskning av dimensionerna på ett material att tillåta vatten att färdas till materialets centrum snabbare, vilket påskyndar diffusionsprocessen och orsakar bulkerosion.

Matematisk modell

Genom att matematiskt modellera diffusionshastigheten för vatten i materialet och materialets nedbrytningshastighet, är det möjligt att förutsäga om ett visst material kommer att genomgå yt- eller bulkerosion genom att titta på förhållandet mellan de två hastigheterna.

Vattendiffusionshastigheten modelleras av ekvationen

$t_{\text{diffusion}}={\frac {<x>^{2}\pi }{4D}}$

Där <x> är medellängden av materialet och D är diffusionskoefficienten för vatten inuti polymeren.

Nedbrytningshastigheten modelleras av följande ekvation

$t_{\text{erosion}}={\frac {\ln <x>-\ln {\sqrt[ {3}]{M \över N_{\text{A}}(N-1)*p}}}{k}}$

Där M = polymerens molekylvikt , N _A = Avogadro konstant , N = polymerisationsgrad , p = polymerens densitet , k = nedbrytningshastighet

Förhållandet mellan diffusionstid och nedbrytningstid ger oss en dimensionslös parameter ε som kallas erosionstalet.

${\text{Erosionsnummer}}= {\frac {t_{\text{diffusion}}}{t_{\text{erosion}}}}={\frac {<x>^{2}\pi *k}{4D*(\ln <x> -\ln {\sqrt[{3}]{M \over N_{\text{A}}(N-1)*p}})}}$

Om ε≫1 uppstår yterosion. Om ε≪1 inträffar bulkerosion.

Från modellen ovan är det tydligt att vissa förändrade vissa parametrar kan avgöra vilken typ av erosion en polymer går igenom genom att antingen öka eller minska hastigheten för nedbrytningsprocessen eller diffusionsprocessen. Tabellen nedan sammanfattar hur en parameter kan modifieras för att gynna yterosion eller bulkerosion.

Parameter	Gynnar yterosion	Favors Bulk Erosion
Materialets storlek ( )	Öka	Minska
Polymermolekylvikt (M)	Öka	Minska
Nedbrytningshastighet (k)	Öka	Minska
Densitet av polymer (p)	Minska	Öka
Vattendiffusionskoefficient (D)	Minska	Öka

Ansökningar

Eftersom yterosion är lättare att kontrollera än bulkerosion, föredras yterosion vid läkemedelstillförsel där frisättningen av läkemedlet måste vara konstant eller kontrolleras genom att ändra materialets dimensioner. En noll-ordningens frisättning av ett läkemedel kan vara möjlig med yterosion om ett mycket tunt material används eller om ytarean hålls konstant. Yterosion är också användbar för att skydda vattenlösliga läkemedel fram till tidpunkten för önskad läkemedelsfrisättning, eftersom vatten inte kommer att penetrera genom polymermatrisen och nå läkemedlet förrän all omgivande polymer har degraderats. Emellertid kan bulkrosion vara användbar i situationer som inte kräver kontrollerad frisättning, såsom plastisk nedbrytning.