Целулозният етер е синтетичен полимер, произведен от естествена целулоза като суровина чрез химическа модификация. Целулозният етер е производно на естествената целулоза, производството на целулозен етер и синтетичен полимер е различно, като най-основният му материал е целулозата, естествено полимерно съединение. Поради специфичните характеристики на естествената структура на целулозата, самата целулоза няма способността да реагира с етеризиращ агент. Но след третиране с набъбващ агент, силните водородни връзки между молекулните вериги и веригите се разрушават и активността на хидроксилната група се освобождава в алкална целулоза с реакционна способност, като целулозният етер се получава чрез реакцията на етеризиращия агент - OH група в - OR група.
Свойствата на целулозните етери зависят от вида, броя и разпределението на заместителите. Класификацията на целулозните етери се основава и на вида на заместителите, степента на етерификация, разтворимостта и свързаното с тях приложение. Според вида на заместителите в молекулната верига, те могат да бъдат разделени на единични етери и смесени етери. MC обикновено се използва като единичен етер, докато HPmc е смесен етер. Метилцелулозен етер MC е естествена целулозна глюкозна единица, чиято хидроксилна група е заместена с метоксид, чиято структурна формула е [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X. Хидроксипропилметилцелулозен етер HPmc е хидроксилна единица, която е заместена с метоксид, а другата част е заместена с хидроксипропил. Структурната формула е [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] X. Хидроксиетилметилцелулозен етер HEmc е широко използван и продаван на пазара.
Според разтворимостта, те могат да бъдат разделени на йонни и нейонни. Водоразтворимите нейонни целулозен етер се състоят главно от алкилов етер и хидрокси алкилов етер в две серии. Йонният CMC се използва главно в синтетични детергенти, текстил, печатарство, хранително-вкусова промишленост и добив на петрол. Нейонните MC, HPMC, HEmc и други се използват главно в строителни материали, латексови покрития, медицина, ежедневна химия и други аспекти. Като сгъстител, агент за задържане на вода, стабилизатор, диспергатор, филмообразуващ агент.
Задържане на вода от целулозен етер
В производството на строителни материали, особено на сухи смесени хоросан, целулозният етер играе незаменима роля, особено при производството на специален хоросан (модифициран хоросан), той е незаменима част.
Важната роля на водоразтворимия целулозен етер в хоросана се състои главно от три аспекта: отлична способност за задържане на вода, влияние върху консистенцията на хоросана и тиксотропията му, а третият е взаимодействието му с цимента.
Задържането на вода от целулозния етер зависи от хидроскопичността на основата, състава на разтвора, дебелината на слоя разтвор, необходимостта от вода на разтвора и времето за кондензация на кондензационния материал. Задържането на вода от целулозния етер се дължи на разтворимостта и дехидратацията на самия целулозен етер. Добре известно е, че целулозните молекулни вериги, въпреки че съдържат голям брой силно хидратирани ОН групи, са неразтворими във вода поради силно кристалната си структура. Само хидратиращата способност на хидроксилните групи не е достатъчна, за да компенсира силните междумолекулни водородни връзки и ван дер Ваалсовите сили. Когато в молекулната верига се въведат заместители, не само заместителите разрушават водородната верига, но и междуверижните водородни връзки се разкъсват поради вклиняването на заместителите между съседните вериги. Колкото по-големи са заместителите, толкова по-голямо е разстоянието между молекулите. Колкото по-големи са заместителите, толкова по-голямо е разстоянието между молекулите. Колкото по-голям е ефектът на разрушаване на водородните връзки, толкова по-голям е ефектът на разширяване на целулозната решетка, толкова по-голямо е разстоянието между молекулите. Колкото по-голям е ефектът на разрушаване на водородните връзки, толкова по-голям е ефектът на разширяване на целулозната решетка, толкова по-разтворим е разтворът в целулозния етер и се образува разтвор с висок вискозитет. С повишаване на температурата хидратацията на полимера намалява и водата между веригите се изтласква. Когато дехидратиращият ефект е достатъчен, молекулите започват да агрегират и гелът се разгъва в триизмерна мрежа. Факторите, влияещи върху задържането на вода от разтвора, включват вискозитет на целулозния етер, дозировка, финост на частиците и работна температура.
Колкото по-висок е вискозитетът на целулозния етер, толкова по-добри са водозадържащите свойства, т.е. вискозитетът на полимерния разтвор. Молекулното тегло (степента на полимеризация) на полимера се определя и от дължината и морфологията на молекулната структура на веригата, а разпределението на броя на заместителите пряко влияе върху диапазона на вискозитета. [eta] = Kmα
Вътрешен вискозитет на полимерни разтвори
M полимерно молекулно тегло
α полимерна характеристична константа
Коефициент на вискозитет на разтвора K
Вискозитетът на полимерния разтвор зависи от молекулното тегло на полимера. Вискозитетът и концентрацията на разтворите на целулозни етери са свързани с различни приложения. Следователно, всеки целулозен етер има много различни спецификации за вискозитет, а регулирането на вискозитета се осъществява главно чрез разграждане на алкалната целулоза, а именно чрез разкъсване на целулозната молекулна верига.
Що се отнася до размера на частиците, колкото по-фина е частицата, толкова по-добре се задържа вода. Големите частици целулозния етер, когато достигнат водата, незабавно се разтварят на повърхността и образуват гел, който обгръща материала, предотвратявайки проникването на водните молекули. Понякога при продължително разбъркване разтворът не може да се разпредели равномерно и се образува кален флокулентен разтвор или агломерат. Разтворимостта на целулозния етер е един от факторите за избор на целулозен етер.
Сгъстяване и тиксотропия на целулозен етер
Вторият ефект на целулозния етер – сгъстяването – зависи от: степента на полимеризация на целулозния етер, концентрацията на разтвора, скоростта на срязване, температурата и други условия. Свойството на желиране на разтвора е уникално за алкилцелулозата и нейните модифицирани производни. Характеристиките на желиране са свързани със степента на заместване, концентрацията на разтвора и добавките. За модифицираните хидроксил алкил производни, свойствата на гела също са свързани със степента на модификация на хидроксил алкил. За нискомолекулен целулозен етер може да се приготви разтвор с концентрация 10%-15%, за средномолекулен целулозен етер – 5%-10%, а за високомолекулен целулозен етер – само 2%-3% разтвор, като обикновено вискозитетът на целулозния етер се градира с 1%-2% разтвор. Ефективността на сгъстителя на целулозния етер с високо молекулно тегло, при една и съща концентрация на разтвора, различните молекулни тегла имат различен вискозитет, вискозитетът и молекулното тегло могат да се изразят, както следва: [η]=2.92×10-2 (DPn) = 0.905, където DPn е средната степен на полимеризация на високомолекулен целулозен етер. За постигане на целевия вискозитет е необходимо да се добави повече нискомолекулен целулозен етер. Вискозитетът му е по-малко зависим от скоростта на срязване, високият вискозитет е необходим за постигане на целевия вискозитет, необходимото количество е да се добави, а вискозитетът зависи от ефективността на сгъстяване. Следователно, за да се постигне определена консистенция, трябва да се гарантира определено количество целулозен етер (концентрация на разтвора) и вискозитет на разтвора. Температурата на желиране на разтвора намалява линейно с увеличаване на концентрацията на разтвора и желирането настъпва при стайна температура след достигане на определена концентрация. HPMC има висока концентрация на желиране при стайна температура.
Консистенцията може да се регулира и чрез избор на размер на частиците и целулозни етери с различна степен на модификация. Така наречената модификация е въвеждането на хидроксил алкилова група с определена степен на заместване в скелетната структура на MC. Чрез промяна на относителните стойности на заместване на двата заместителя, т.е. относителните стойности на заместване на метокси и хидроксилни групи в DS и MS, се изискват различни свойства на целулозния етер чрез промяна на относителните стойности на заместване на два вида заместители.
Връзката между консистенцията и модификацията. На Фигура 5 добавянето на целулозен етер влияе върху разхода на вода на разтвора и променя съотношението вода-свързващо вещество между водата и цимента, което е сгъстяващ ефект. Колкото по-висока е дозата, толкова по-голям е разходът на вода.
Целулозните етери, използвани в прахообразни строителни материали, трябва да се разтварят бързо в студена вода и да осигуряват на системата правилната консистенция. Ако дадена скорост на срязване все още е флокулираща и колоидна, това е нестандартен или нискокачествен продукт.
Съществува и добра линейна зависимост между консистенцията на циментовата суспензия и дозата на целулозния етер, целулозният етер може значително да увеличи вискозитета на хоросана, колкото по-голяма е дозата, толкова по-очевиден е ефектът.
Водният разтвор на целулозен етер с висок вискозитет има висока тиксотропия, което е една от характеристиките на целулозния етер. Водните разтвори на полимери тип Mc обикновено имат псевдопластична, нетиксотропна течливост под температурата на гела, но свойства на Нютоново течение при ниски скорости на срязване. Псевдопластичността се увеличава с увеличаване на молекулното тегло или концентрацията на целулозен етер и е независима от вида и степента на заместителя. Следователно, целулозните етери с един и същ клас на вискозитет, независимо дали са MC, HPmc или HEmc, винаги показват едни и същи реологични свойства, стига концентрацията и температурата да останат постоянни. Когато температурата се повиши, се образува структурен гел и се наблюдава висока тиксотропна течливост. Целулозните етери с висока концентрация и нисък вискозитет проявяват тиксотропия дори под температурата на гела. Това свойство е от голяма полза за изграждането на строителен разтвор за регулиране на неговата течливост и способност за задържане на течливост. Тук е необходимо да се обясни, че колкото по-висок е вискозитетът на целулозния етер, толкова по-добро е задържането на вода, но колкото по-висок е вискозитетът, толкова по-високо е относителното молекулно тегло на целулозния етер, съответно намалява неговата разтворимост, което има отрицателно въздействие върху концентрацията на разтвора и строителните характеристики. Колкото по-висок е вискозитетът, толкова по-очевиден е ефектът на сгъстяване на хоросана, но това не е напълно пропорционална връзка. Някои видове хоросан с нисък вискозитет, но модифицираният целулозен етер, подобрява структурната здравина на мокрия хоросан, и с увеличаване на вискозитета, задържането на вода от целулозния етер се подобрява.
Време на публикуване: 30 март 2022 г.