Ether celulózy je syntetický polymer vyrobený z přírodní celulózy jako suroviny chemickou modifikací. Ether celulózy je derivát přírodní celulózy, výroba éteru celulózy a syntetický polymer se liší, jeho nejzákladnějším materiálem je celulóza, přírodní polymerní sloučenina. Vzhledem ke specifické struktuře přírodní celulózy celulóza sama o sobě nemá schopnost reagovat s éterifikačním činidlem. Po ošetření bobtnavým činidlem se však silné vodíkové vazby mezi molekulárními řetězci a řetězci zničí a aktivita hydroxylové skupiny se uvolní do alkalické celulózy s reakční schopností. Reakcí éterifikačního činidla -OH skupiny na -OR skupinu se získá éter celulózy.
Vlastnosti etherů celulózy závisí na typu, počtu a distribuci substituentů. Klasifikace etherů celulózy je také založena na typu substituentů, stupni etherifikace, rozpustnosti a souvisejícím použití. Podle typu substituentů v molekulárním řetězci je lze rozdělit na jednoduchý ether a směsný ether. MC se obvykle používá jako jednoduchý ether, zatímco HPmc je směsný ether. Methylcelulózový ether MC je přírodní celulózová glukózová jednotka na hydroxylové skupině, která je nahrazena methoxidem, strukturní vzorec [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X. Hydroxypropylmethylcelulózový ether HPmc je hydroxylová jednotka, která je nahrazena methoxidem a další hydroxypropylovou částí produktu. Strukturní vzorec je [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] X. Hydroxyethylmethylcelulózový ether HEmc je široce používaný a prodávaný na trhu.
Podle rozpustnosti je lze rozdělit na iontový a neiontový typ. Ve vodě rozpustný neiontový ether celulózy se skládá hlavně ze dvou řad druhů alkyletherů a hydroxylalkyletherů. Iontový CMC se používá hlavně v syntetických detergentech, textilním průmyslu, tiskařském průmyslu, potravinářství a těžbě ropy. Neiontový MC, HPMC, HEmc a další se používají hlavně ve stavebních materiálech, latexových nátěrech, lékařství, denní chemii a dalších oblastech. Jako zahušťovadlo, činidlo pro zadržování vody, stabilizátor, dispergační činidlo a filmotvorné činidlo.
Zadržování vody v éteru celulózy
Při výrobě stavebních materiálů, zejména suchých maltových směsí, hraje éter celulózy nezastupitelnou roli, zejména při výrobě speciálních malt (modifikovaných malt) je nepostradatelnou součástí.
Důležitá role ve vodě rozpustného éteru celulózy v maltě má především tři aspekty: vynikající schopnost zadržovat vodu, vliv konzistence malty a tixotropie a interakce s cementem.
Retence vody v etheru celulózy závisí na hydroskopičnosti, složení malty, tloušťce vrstvy malty, spotřebě vody v maltě a době kondenzace kondenzačního materiálu. Retence vody v etheru celulózy je dána rozpustností a dehydratací samotného etheru celulózy. Je dobře známo, že molekulární řetězce celulózy, ačkoli obsahují velké množství vysoce hydratovaných OH skupin, jsou ve vodě nerozpustné kvůli své vysoce krystalické struktuře. Samotná hydratační schopnost hydroxylových skupin nestačí k pokrytí silných mezimolekulárních vodíkových vazeb a van der Waalsových sil. Když jsou do molekulárního řetězce zavedeny substituenty, nejenže substituenty ničí vodíkový řetězec, ale také se přerušují meziřetězcové vodíkové vazby v důsledku zaklínění substituentů mezi sousedními řetězci. Čím větší jsou substituenty, tím větší je vzdálenost mezi molekulami. Čím větší je efekt destrukce vodíkových vazeb, tím větší je rozpínání celulózové mřížky, tím větší je rozpustnost roztoku v etheru celulózy ve vodě a vzniká roztok s vysokou viskozitou. S rostoucí teplotou se hydratace polymeru snižuje a voda mezi řetězci je vytlačována. Když je dehydratační účinek dostatečný, molekuly se začnou agregovat a gel se skládá do trojrozměrné sítě. Mezi faktory ovlivňující zadržování vody v maltě patří viskozita éteru celulózy, dávkování, jemnost částic a provozní teplota.
Čím vyšší je viskozita éteru celulózy, tím lepší je schopnost zadržovat vodu, tedy viskozita polymerního roztoku. Molekulová hmotnost (stupeň polymerace) polymeru je také určena délkou a morfologií molekulární struktury řetězce a rozložení počtu substituentů přímo ovlivňuje rozsah viskozity. [eta] = Km alfa
Vnitřní viskozita polymerních roztoků
Molekulová hmotnost polymeru M
charakteristická konstanta polymeru α
Koeficient řešení viskozity K
Viskozita polymerního roztoku závisí na molekulové hmotnosti polymeru. Viskozita a koncentrace roztoků etherů celulózy se vztahují k různým aplikacím. Každý ether celulózy má proto mnoho různých specifikací viskozity a regulace viskozity probíhá hlavně prostřednictvím degradace alkalické celulózy, konkrétně rozbitím molekulárního řetězce celulózy.
Co se týče velikosti částic, čím jemnější je částice, tím lépe zadržují vodu. Velké částice éteru celulózy se při kontaktu s vodou okamžitě rozpustí na povrchu a vytvoří gel, který obalí materiál a zabrání molekulám vody v dalším pronikání. Někdy se při dlouhém míchání nepodaří rozpustit rozpuštěnou látku rovnoměrně, což vede k kalnému vločkovitému roztoku nebo aglomerátu. Rozpustnost éteru celulózy je jedním z faktorů pro výběr éteru celulózy.
Zahušťování a tixotropie éteru celulózy
Druhý účinek etheru celulózy – zahušťování – závisí na: stupni polymerace etheru celulózy, koncentraci roztoku, smykové rychlosti, teplotě a dalších podmínkách. Gelační vlastnost roztoku je specifická pro alkylcelulózu a její modifikované deriváty. Gelační vlastnosti souvisí se stupněm substituce, koncentrací roztoku a přísadami. U derivátů modifikovaných hydroxylalkylovými skupinami souvisí gelové vlastnosti také se stupněm modifikace hydroxylalkylovými skupinami. Pro nízkoviskozní koncentrovaný roztok lze připravit 10%-15% roztok MC a HPmc, pro středně viskózní MC a HPmc 5%-10% roztok a pro vysokoviskozní MC a HPmc pouze 2%-3% roztok, přičemž viskozita etheru celulózy se obvykle také odstupňovává o 1%-2% roztok. Účinnost zahušťovadla na bázi etheru celulózy s vysokou molekulovou hmotností, při stejné koncentraci roztoku, mají polymery s různou molekulovou hmotností různou viskozitu, viskozitu a molekulovou hmotnost lze vyjádřit následovně: [η] = 2,92 × 10-2 (DPn) = 0,905, kde DPn je průměrný stupeň polymerace s vysokou molekulovou hmotností. Pro dosažení cílové viskozity je třeba přidat více etheru celulózy s nízkou molekulovou hmotností. Jeho viskozita je méně závislá na smykové rychlosti, pro dosažení cílové viskozity je potřeba přidat menší množství a viskozita závisí na účinnosti zahušťování. Proto je pro dosažení určité konzistence nutné zajistit určité množství etheru celulózy (koncentraci roztoku) a viskozitu roztoku. Teplota gelace roztoku lineárně klesá se zvyšující se koncentrací roztoku a gelace nastává při pokojové teplotě po dosažení určité koncentrace. HPMC má vysokou gelaci při pokojové teplotě.
Konzistenci lze také upravit výběrem velikosti částic a etherů celulózy s různým stupněm modifikace. Takzvaná modifikace spočívá v zavedení hydroxylalkylové skupiny s určitým stupněm substituce do kostry MC. Změnou relativních substitučních hodnot dvou substituentů, tj. relativních substitučních hodnot DS a MS methoxy a hydroxylových skupin, jsou vyžadovány různé vlastnosti etheru celulózy.
Vztah mezi konzistencí a modifikací. Na obrázku 5 je vidět, že přidání éteru celulózy ovlivňuje spotřebu vody v maltě a mění poměr voda-pojivo mezi vodou a cementem, což je zahušťovací efekt. Čím vyšší je dávkování, tím vyšší je spotřeba vody.
Étery celulózy používané v práškových stavebních materiálech se musí rychle rozpouštět ve studené vodě a poskytovat systému správnou konzistenci. Pokud je daná smyková rychlost stále flokulantní a koloidní, jedná se o podřadný nebo nekvalitní produkt.
Existuje také dobrý lineární vztah mezi konzistencí cementové kaše a dávkováním éteru celulózy. Eter celulózy může výrazně zvýšit viskozitu malty, čím větší je dávkování, tím zřetelnější je účinek.
Vodný roztok etheru celulózy s vysokou viskozitou má vysokou tixotropii, což je jedna z charakteristik etheru celulózy. Vodné roztoky polymerů typu Mc mají obvykle pseudoplastickou, netixotropní tekutost pod teplotou gelu, ale Newtonovské tokové vlastnosti při nízkých smykových rychlostech. Pseudoplasticita se zvyšuje se zvyšující se molekulovou hmotností nebo koncentrací etheru celulózy a je nezávislá na typu a stupni substituentu. Proto ethery celulózy stejného viskozitního stupně, ať už MC, HPmc nebo HEmc, vždy vykazují stejné reologické vlastnosti, pokud koncentrace a teplota zůstávají konstantní. Při zvyšování teploty se tvoří strukturní gel a dochází k vysokému tixotropnímu toku. Ethery celulózy s vysokou koncentrací a nízkou viskozitou vykazují tixotropii i pod teplotou gelu. Tato vlastnost je velmi přínosná pro konstrukci stavební malty pro úpravu jejího toku a vlastnosti zadržování vody. Zde je třeba vysvětlit, že čím vyšší je viskozita etheru celulózy, tím lepší je zadržování vody, ale čím vyšší je viskozita, tím vyšší je relativní molekulová hmotnost etheru celulózy, což odpovídá snížení jeho rozpustnosti, což má negativní vliv na koncentraci malty a stavební vlastnosti. Čím vyšší je viskozita, tím zřetelnější je zahušťovací účinek malty, ale nejedná se o plně proporcionální vztah. I když malta má nízkou viskozitu, modifikovaný éter celulózy má lepší vlastnosti při zlepšení strukturální pevnosti mokré malty a se zvýšením viskozity se zlepšuje zadržování vody éterem celulózy.
Čas zveřejnění: 30. března 2022