Celluloseetherifizierungsmodifikation

01. Einführung der Cellulose

Cellulose ist ein makromolekulares Polysaccharid, das aus Glucose besteht. Es ist unlöslich in Wasser und den meisten organischen Lösungsmitteln. Cellulose ist der Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand und zugleich das am weitesten verbreitete und am häufigsten vorkommende Polysaccharid in der Natur.

Cellulose ist der am häufigsten vorkommende nachwachsende Rohstoff der Erde und gleichzeitig das natürliche Polymer mit der größten Anreicherung. Sie zeichnet sich durch ihre Erneuerbarkeit, vollständige biologische Abbaubarkeit und gute Biokompatibilität aus.

02. Gründe für die Modifizierung von Cellulose

Cellulose-Makromoleküle enthalten zahlreiche -OH-Gruppen. Aufgrund der Wasserstoffbrückenbindungen ist die Kraft zwischen den Makromolekülen relativ groß, was zu einer hohen Schmelzenthalpie ΔH führt. Andererseits weisen Cellulose-Makromoleküle Ringstrukturen auf, die die Steifigkeit der Molekülketten erhöhen und somit eine geringere Schmelzentropieänderung ΔS bedingen. Diese beiden Gründe bewirken, dass die Schmelztemperatur von Cellulose (ΔH/ΔS) höher ist und die Zersetzungstemperatur von Cellulose relativ niedrig. Daher bilden sich beim Erhitzen von Cellulose auf eine bestimmte Temperatur Fasern. Dies deutet darauf hin, dass die Cellulose bereits vor dem Schmelzen zersetzt ist. Aus diesem Grund kann die Verarbeitung von Cellulosematerialien nicht durch vorheriges Schmelzen und anschließendes Formen erfolgen.

03. Bedeutung der Cellulosemodifizierung

Angesichts der fortschreitenden Erschöpfung fossiler Ressourcen und der zunehmend gravierenden Umweltprobleme durch chemische Faserabfälle ist die Entwicklung und Nutzung natürlicher, nachwachsender Fasermaterialien zu einem zentralen Forschungsthema geworden. Zellulose ist der am häufigsten vorkommende nachwachsende Rohstoff. Sie besitzt hervorragende Eigenschaften wie gute Hygroskopizität, antistatische Wirkung, hohe Luftdurchlässigkeit, gute Färbbarkeit, angenehmen Tragekomfort, einfache Textilverarbeitung und biologische Abbaubarkeit. Diese Eigenschaften sind mit denen chemischer Fasern nicht vergleichbar.

Cellulosemoleküle enthalten zahlreiche Hydroxylgruppen, die leicht intra- und intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden und sich bei hohen Temperaturen zersetzen, ohne zu schmelzen. Cellulose besitzt jedoch eine gute Reaktivität, und ihre Wasserstoffbrückenbindungen können durch chemische Modifizierung oder Pfropfreaktionen aufgebrochen werden, wodurch der Schmelzpunkt effektiv gesenkt werden kann. Als vielseitiges Industrieprodukt findet Cellulose breite Anwendung in der Textil-, Membran-, Kunststoff-, Tabak- und Beschichtungsindustrie.

04. Modifizierung der Celluloseetherung

Celluloseether ist ein Cellulosederivat, das durch Veretherung von Cellulose gewonnen wird. Aufgrund seiner hervorragenden Verdickungs-, Emulgier-, Suspensions-, Filmbildungs-, Schutzkolloid-, Feuchtigkeitsbindungs- und Hafteigenschaften findet es breite Anwendung. Es wird unter anderem in der Lebensmittel-, Medizin-, Papier-, Farben- und Baustoffindustrie eingesetzt.

Die Veretherung von Cellulose ist eine Reihe von Derivaten, die durch die Reaktion von Hydroxylgruppen der Cellulosemolekülkette mit Alkylierungsmitteln unter alkalischen Bedingungen entstehen. Der Verbrauch von Hydroxylgruppen reduziert die Anzahl intermolekularer Wasserstoffbrückenbindungen und damit die intermolekularen Kräfte. Dies verbessert die thermische Stabilität der Cellulose, optimiert die Verarbeitbarkeit der Materialien und senkt gleichzeitig den Schmelzpunkt der Cellulose.

Beispiele für die Auswirkungen der Veretherungsmodifizierung auf andere Funktionen der Cellulose:

Aus veredelter Baumwolle als Basismaterial stellten die Forscher mittels eines einstufigen Veretherungsverfahrens einen Carboxymethylhydroxypropylcellulose-Komplexether her, der durch Alkalisierung und Veretherung eine gleichmäßige Reaktion, hohe Viskosität sowie gute Säure- und Salzbeständigkeit aufweist. Das so hergestellte Carboxymethylhydroxypropylcellulose-Produkt zeichnet sich durch gute Salz- und Säurebeständigkeit sowie gute Löslichkeit aus. Durch Variation der relativen Mengen an Propylenoxid und Chloressigsäure lassen sich Produkte mit unterschiedlichen Carboxymethyl- und Hydroxypropylgehalten herstellen. Die Testergebnisse zeigen, dass die im einstufigen Verfahren hergestellte Carboxymethylhydroxypropylcellulose einen kurzen Produktionszyklus und einen geringen Lösungsmittelverbrauch aufweist. Zudem besitzt das Produkt eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber ein- und zweiwertigen Salzen sowie eine gute Säurebeständigkeit.

05. Perspektiven der Celluloseetherifizierungsmodifizierung

Cellulose ist ein wichtiger chemischer Rohstoff, der reich an Ressourcen, umweltfreundlich und erneuerbar ist. Die durch Veretherung und Modifizierung von Cellulose gewonnenen Derivate zeichnen sich durch hervorragende Eigenschaften, ein breites Anwendungsspektrum und positive Nutzungseffekte aus und decken weitgehend den Bedarf der Volkswirtschaft und der gesellschaftlichen Entwicklung. Mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt und der zukünftigen Kommerzialisierung der synthetischen Rohstoffe und Synthesemethoden für Cellulosederivate können diese noch besser genutzt und ein breiteres Anwendungsspektrum erschlossen werden.