Die wichtigste Eigenschaft von Celluloseetherlösungen ist ihr rheologisches Verhalten. Aufgrund ihrer besonderen rheologischen Eigenschaften finden viele Celluloseether breite Anwendung in verschiedenen Bereichen, und die Untersuchung ihrer rheologischen Eigenschaften trägt zur Erschließung neuer Anwendungsgebiete oder zur Verbesserung bestehender Anwendungsgebiete bei. Li Jing von der Shanghai Jiao Tong University führte eine systematische Studie zu den rheologischen Eigenschaften von Celluloseetherlösungen durch.Carboxymethylcellulose (CMC)Die Untersuchung berücksichtigt den Einfluss der molekularen Strukturparameter von CMC (Molekulargewicht und Substitutionsgrad), der Konzentration, des pH-Werts und der Ionenstärke. Die Ergebnisse zeigen, dass die Nullscherviskosität der Lösung mit zunehmendem Molekulargewicht und Substitutionsgrad ansteigt. Ein höheres Molekulargewicht bedeutet ein Wachstum der Molekülkette und eine leichtere Verschlaufung der Moleküle, was die Viskosität der Lösung erhöht. Ein hoher Substitutionsgrad führt zu einer stärkeren Streckung der Moleküle in der Lösung. In diesem Zustand ist das hydrodynamische Volumen relativ groß, wodurch die Viskosität steigt. Die Viskosität wässriger CMC-Lösungen steigt mit zunehmender Konzentration, was auf Viskoelastizität hindeutet. Die Viskosität der Lösung sinkt mit dem pH-Wert. Unterhalb eines bestimmten pH-Werts steigt die Viskosität leicht an, bis schließlich freie Säure ausfällt. CMC ist ein polyanionisches Polymer. Die Zugabe von einwertigen Salzionen (Na⁺, K⁺) führt zu einer entsprechenden Viskositätsabnahme. Die Zugabe von zweiwertigen Kationen (Ca⁺) bewirkt zunächst eine Abnahme und anschließend einen Anstieg der Viskosität. Bei einer Ca²⁺-Konzentration oberhalb des stöchiometrischen Punktes interagieren CMC-Moleküle mit Ca²⁺, wodurch sich in der Lösung eine Überstruktur bildet. Liang Yaqin von der Norduniversität China und andere untersuchten die rheologischen Eigenschaften verdünnter und konzentrierter Lösungen von modifizierter Hydroxyethylcellulose (CHEC) mittels Viskosimetrie und Rotationsviskosimetrie. Die Ergebnisse zeigen: (1) Kationische Hydroxyethylcellulose verhält sich in reinem Wasser wie ein typisches Polyelektrolyt, wobei die reduzierte Viskosität mit steigender Konzentration zunimmt. Die Grenzviskosität von kationischer Hydroxyethylcellulose mit hohem Substitutionsgrad ist höher als die von kationischer Hydroxyethylcellulose mit niedrigem Substitutionsgrad. (2) Die Lösung von kationischer Hydroxyethylcellulose weist nicht-Newtonsche Fluideigenschaften und Strukturviskosität auf: Mit steigender Massenkonzentration der Lösung nimmt ihre scheinbare Viskosität zu; in einer Salzlösung bestimmter Konzentration nimmt die scheinbare Viskosität von CHEC mit steigender Salzkonzentration ab. Bei gleicher Schergeschwindigkeit ist die scheinbare Viskosität von CHEC in CaCl2-Lösung deutlich höher als die von CHEC in NaCl-Lösung.
Mit der kontinuierlichen Vertiefung der Forschung und der stetigen Erweiterung der Anwendungsgebiete rücken auch die Eigenschaften von Mischsystemlösungen aus verschiedenen Celluloseethern in den Fokus der Forschung. Beispielsweise werden Natriumcarboxymethylcellulose (NACMC) und Hydroxyethylcellulose (HEC) als Ölverdrängungsmittel in Erdölfeldern eingesetzt. Sie zeichnen sich durch hohe Scherstabilität, reichlich vorhandene Rohstoffe und geringe Umweltbelastung aus, ihre Wirkung ist jedoch bei alleiniger Anwendung nicht optimal. NACMC besitzt zwar eine gute Viskosität, reagiert aber empfindlich auf die Temperatur und den Salzgehalt des Reservoirs. HEC hingegen ist zwar temperatur- und salzbeständig, weist jedoch eine geringe Verdickungswirkung auf und erfordert eine relativ hohe Dosierung. Durch das Mischen beider Lösungen konnten Forscher die Viskosität der resultierenden Kompositlösung erhöhen, die Temperatur- und Salzbeständigkeit verbessern und die Anwendungswirkung steigern. Verica Sovilj et al. untersuchten das rheologische Verhalten der Lösung des Mischsystems aus HPMC und NACMC sowie einem anionischen Tensid mithilfe eines Rotationsviskosimeters. Das rheologische Verhalten des Systems hängt von HPMC-NACMC, HPMC-SDS und NACMC- (HPMC- SDS) ab; zwischen ihnen traten unterschiedliche Effekte auf.
Die rheologischen Eigenschaften von Celluloseetherlösungen werden durch verschiedene Faktoren wie Additive, äußere mechanische Kräfte und Temperatur beeinflusst. Tomoaki Hino et al. untersuchten den Einfluss von Nikotin auf die rheologischen Eigenschaften von Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC). Bei 25 °C und einer Konzentration unter 3 % zeigte HPMC newtonsches Fließverhalten. Mit der Zugabe von Nikotin stieg die Viskosität, was darauf hindeutet, dass Nikotin die Verschlaufung der Cellulosemoleküle verstärkt.HPMCNikotin bewirkt hier einen Salzeffekt, der den Gel- und Nebelpunkt von HPMC erhöht. Mechanische Kräfte wie Scherkräfte beeinflussen ebenfalls die Eigenschaften wässriger Celluloseetherlösungen. Mithilfe eines rheologischen Trübungsmessers und eines Kleinwinkel-Lichtstreuungsgeräts wurde festgestellt, dass in halbverdünnten Lösungen die Übergangstemperatur des Nebelpunkts aufgrund der Schermischung mit steigender Schergeschwindigkeit zunimmt.
Veröffentlichungsdatum: 28. April 2024