Celluloseether ist ein synthetisches Polymer, das durch chemische Modifizierung von natürlicher Cellulose als Rohstoff hergestellt wird. Celluloseether ist ein Derivat der natürlichen Cellulose. Die Herstellung von Celluloseether unterscheidet sich von der Herstellung synthetischer Polymere; sein Grundmaterial ist Cellulose, eine natürliche Polymerverbindung. Aufgrund der besonderen Struktur der natürlichen Cellulose ist diese selbst nicht in der Lage, mit Veretherungsmitteln zu reagieren. Nach der Behandlung mit einem Quellmittel werden jedoch die starken Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Molekülketten aufgebrochen, wodurch die Hydroxylgruppen in die reaktionsfähige Alkalicellulose freigesetzt werden. Durch die Reaktion des Veretherungsmittels mit den OH-Gruppen entsteht schließlich Celluloseether.
Die Eigenschaften von Celluloseethern hängen von Art, Anzahl und Verteilung der Substituenten ab. Die Klassifizierung von Celluloseethern basiert ebenfalls auf der Art der Substituenten. Der Veretherungsgrad, die Löslichkeit und die damit verbundenen Anwendungsgebiete können ebenfalls bestimmt werden. Je nach Art der Substituenten an der Molekülkette lassen sie sich in Einfachether und Mischether unterteilen. MC wird üblicherweise als Einfachether verwendet, während HPmc ein Mischether ist. Methylcelluloseether MC ist eine natürliche Cellulose-Glucose-Einheit, bei der die Hydroxylgruppe durch Methoxid ersetzt wird. Die Produktstrukturformel lautet [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X. Hydroxypropylmethylcelluloseether HPmc ist ein Produkt, bei dem ein Teil der Hydroxylgruppe durch Methoxid und der andere Teil durch Hydroxypropyl ersetzt wird. Die Strukturformel lautet [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] X. Hydroxyethylmethylcelluloseether HEmc ist weit verbreitet und wird auf dem Markt verkauft.
Anhand ihrer Löslichkeit lassen sich Celluloseether in ionische und nichtionische Typen unterteilen. Wasserlösliche, nichtionische Celluloseether bestehen hauptsächlich aus Alkylethern und Hydroxyalkylethern. Ionische Celluloseether (CMC) finden vorwiegend Anwendung in synthetischen Waschmitteln, Textilien, Druckprodukten, Lebensmitteln und der Erdölindustrie. Nichtionische Celluloseether (MC), Hydroxyalkylcelluloseether (HPMC), Hydroxyalkylcelluloseether (HEMC) und andere werden hauptsächlich in Baustoffen, Latex-Beschichtungen, Arzneimitteln, der Kosmetikindustrie und weiteren Bereichen eingesetzt. Sie dienen als Verdickungsmittel, Wasserrückhaltemittel, Stabilisatoren, Dispergiermittel und Filmbildner.
Wasserretention von Celluloseether
Bei der Herstellung von Baustoffen, insbesondere von Trockenmörtel, spielt Celluloseether eine unersetzliche Rolle; insbesondere bei der Herstellung von Spezialmörtel (modifiziertem Mörtel) ist er ein unverzichtbarer Bestandteil.
Die wichtige Rolle des wasserlöslichen Celluloseethers im Mörtel hat im Wesentlichen drei Aspekte: Erstens seine ausgezeichnete Wasserrückhaltefähigkeit, zweitens seinen Einfluss auf die Mörtelkonsistenz und Thixotropie und drittens seine Wechselwirkung mit dem Zement.
Die Wasserretention von Celluloseether hängt von der Hygroskopizität des Substrats, der Zusammensetzung des Mörtels, der Mörtelschichtdicke, dem Wasserbedarf des Mörtels und der Kondensationszeit des Kondensationsmaterials ab. Die Wasserretention von Celluloseether beruht auf der Löslichkeit und Dehydratisierung des Celluloseethers selbst. Es ist bekannt, dass Cellulosemolekülketten trotz ihrer zahlreichen stark hydratisierten OH-Gruppen aufgrund ihrer hochkristallinen Struktur wasserunlöslich sind. Die Hydratisierungsfähigkeit der Hydroxylgruppen allein reicht nicht aus, um die starken intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräfte auszugleichen. Werden Substituenten in die Molekülkette eingeführt, zerstören diese nicht nur die Wasserstoffbrückenbindungen, sondern brechen auch die intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen durch die Einlagerung der Substituenten zwischen benachbarte Ketten. Je größer die Substituenten sind, desto größer ist der Abstand zwischen den Molekülen. Mit zunehmender Zerstörung der Wasserstoffbrückenbindungen dehnt sich das Cellulosegitter aus, die Lösung wird wasserlöslich und es entsteht eine hochviskose Lösung. Mit steigender Temperatur nimmt die Hydratation des Polymers ab, und das Wasser zwischen den Polymerketten wird verdrängt. Bei ausreichender Dehydratation beginnen die Moleküle zu aggregieren, und das Gel entfaltet sich zu einem dreidimensionalen Netzwerk. Faktoren, die die Wasserretention von Mörtel beeinflussen, sind unter anderem die Viskosität des Celluloseethers, die Dosierung, die Partikelfeinheit und die Einsatztemperatur.
Je höher die Viskosität von Celluloseether, desto besser die Wasserrückhalteleistung und desto höher die Viskosität der Polymerlösung. Das Molekulargewicht (Polymerisationsgrad) des Polymers wird durch die Kettenlänge und -morphologie bestimmt, und die Verteilung der Substituenten beeinflusst direkt den Viskositätsbereich. [eta] = Km alpha
Grenzviskosität von Polymerlösungen
M Polymer Molekulargewicht
α-Polymer-Charakteristikkonstante
K Viskositätskoeffizient
Die Viskosität von Polymerlösungen hängt vom Molekulargewicht des Polymers ab. Viskosität und Konzentration von Celluloseetherlösungen sind für verschiedene Anwendungen relevant. Daher weist jeder Celluloseether unterschiedliche Viskositätsspezifikationen auf. Die Viskositätsregulierung erfolgt hauptsächlich durch den Abbau von Alkalicellulose, d. h. durch die Spaltung der Cellulosemolekülketten.
Bezüglich der Partikelgröße gilt: Je feiner die Partikel, desto besser die Wasserbindung. Große Celluloseetherpartikel lösen sich bei Kontakt mit Wasser sofort an der Oberfläche auf und bilden ein Gel, das das Material umschließt und das weitere Eindringen von Wassermolekülen verhindert. Selbst bei langem Rühren kann es zu einer ungleichmäßigen Dispergierung und Bildung einer trüben, flockigen Lösung oder von Agglomeraten kommen. Die Löslichkeit von Celluloseether ist daher ein wichtiger Faktor bei der Auswahl des Materials.
Verdickung und Thixotropie von Celluloseether
Der zweite Effekt von Celluloseether – die Verdickung – hängt vom Polymerisationsgrad des Celluloseethers, der Lösungskonzentration, der Scherrate, der Temperatur und weiteren Bedingungen ab. Die Gelierungseigenschaften der Lösung sind spezifisch für Alkylcellulose und ihre modifizierten Derivate. Sie hängen vom Substitutionsgrad, der Lösungskonzentration und den Additiven ab. Bei hydroxylalkylmodifizierten Derivaten sind die Geleigenschaften zusätzlich vom Grad der Hydroxylalkylmodifizierung abhängig. Für niedrigviskose MC- und HPmc-Lösungen können 10–15%ige Lösungen, für mittelviskose MC- und HPmc-Lösungen 5–10%ige Lösungen und für hochviskose MC- und HPmc-Lösungen 2–3%ige Lösungen hergestellt werden. Die Viskosität von Celluloseether wird üblicherweise in 1–2%igen Lösungen abgestuft. Die Verdickungseffizienz von Celluloseether mit hohem Molekulargewicht hängt von der Lösungskonzentration ab. Polymere mit unterschiedlichem Molekulargewicht weisen unterschiedliche Viskositäten auf. Viskosität und Molekulargewicht lassen sich wie folgt ausdrücken: [η] = 2,92 × 10⁻² (DPn)⁰,⁹⁰⁵, wobei DPn den mittleren Polymerisationsgrad des hochmolekularen Polymers angibt. Um die Zielviskosität zu erreichen, muss Celluloseether mit niedrigem Molekulargewicht in größerer Menge zugesetzt werden. Seine Viskosität ist weniger scherabhängig; je höher die Viskosität, desto geringer die benötigte Menge. Die Viskosität beeinflusst die Verdickungseffizienz. Daher müssen für eine bestimmte Konsistenz eine bestimmte Menge Celluloseether (Lösungskonzentration) und eine bestimmte Lösungsviskosität gewährleistet sein. Die Gelierungstemperatur der Lösung sinkt linear mit steigender Konzentration; ab einer bestimmten Konzentration erfolgt die Gelierung bei Raumtemperatur. HPmc weist eine hohe Gelierungskonzentration bei Raumtemperatur auf.
Die Konsistenz lässt sich durch die Wahl der Partikelgröße und der Celluloseether mit unterschiedlichen Modifizierungsgraden anpassen. Die sogenannte Modifizierung besteht in der Einführung von Hydroxyalkylgruppen in einem bestimmten Substitutionsgrad in die Grundstruktur der MC. Durch die Veränderung der relativen Substitutionsgrade der beiden Substituenten, d. h. der relativen Substitutionsgrade (DS) und (MS) von Methoxy- und Hydroxylgruppen, können verschiedene Eigenschaften der Celluloseether durch Variation dieser Werte erzielt werden.
Die Beziehung zwischen Konsistenz und Modifizierung wird dargestellt. Abbildung 5 zeigt, wie die Zugabe von Celluloseether den Wasserverbrauch des Mörtels beeinflusst und das Wasser-Bindemittel-Verhältnis von Wasser und Zement verändert, was den Verdickungseffekt bewirkt. Je höher die Dosierung, desto höher der Wasserverbrauch.
Celluloseether, die in pulverförmigen Baustoffen verwendet werden, müssen sich schnell in kaltem Wasser lösen und dem System die richtige Konsistenz verleihen. Bleibt das Produkt bei einer bestimmten Scherrate flockig und kolloidal, handelt es sich um ein minderwertiges Produkt.
Es besteht außerdem ein guter linearer Zusammenhang zwischen der Konsistenz der Zementsuspension und der Dosierung von Celluloseether. Celluloseether kann die Viskosität des Mörtels erheblich erhöhen; je größer die Dosierung, desto deutlicher der Effekt.
Wässrige Celluloseetherlösungen mit hoher Viskosität weisen eine hohe Thixotropie auf, eine der charakteristischen Eigenschaften von Celluloseethern. Wässrige Lösungen von Polymeren des Mc-Typs zeigen üblicherweise unterhalb ihrer Gelierungstemperatur ein pseudoplastisches, nicht-thixotropes Fließverhalten, jedoch bei niedrigen Scherraten newtonsche Fließeigenschaften. Die Pseudoplastizität nimmt mit steigender Molmasse oder Konzentration des Celluloseethers zu und ist unabhängig von Art und Grad der Substituenten. Daher weisen Celluloseether gleicher Viskositätsklasse, ob MC, HPmc oder HEmc, bei konstanter Konzentration und Temperatur stets die gleichen rheologischen Eigenschaften auf. Mit steigender Temperatur bildet sich ein Strukturgel, und es kommt zu einer stark thixotropen Fließfähigkeit. Celluloseether mit hoher Konzentration und niedriger Viskosität zeigen bereits unterhalb der Gelierungstemperatur Thixotropie. Diese Eigenschaft ist für die Herstellung von Baumörtel von großem Vorteil, da sie dessen Fließ- und Fließverhalten gezielt beeinflusst. Es muss hier erläutert werden, dass mit steigender Viskosität von Celluloseether zwar die Wasserretention zunimmt, jedoch mit steigender Viskosität auch das relative Molekulargewicht des Celluloseethers steigt, was dessen Löslichkeit verringert und sich negativ auf die Mörtelkonzentration und die Bauleistung auswirkt. Höhere Viskosität führt zwar zu einer deutlicheren Verdickungswirkung des Mörtels, jedoch besteht kein vollständig proportionales Verhältnis. Einige niedrigviskose, aber modifizierte Celluloseether zeigen eine bessere Verbesserung der Festigkeit von Nassmörtel, da mit steigender Viskosität auch die Wasserretention des Celluloseethers zunimmt.
Veröffentlichungsdatum: 30. März 2022