¿Qué es el éter de celulosa?

Éter de celulosaEs un compuesto polimérico con estructura de éter, hecho de celulosa. Cada anillo de glucosilo en la macromolécula de celulosa contiene tres grupos hidroxilo: el grupo hidroxilo primario en el sexto átomo de carbono, el grupo hidroxilo secundario en el segundo y tercer átomos de carbono, y el hidrógeno del grupo hidroxilo se sustituye por un grupo hidrocarburo para generar derivados de éter de celulosa. Es un producto en el que el hidrógeno del grupo hidroxilo del polímero de celulosa se sustituye por un grupo hidrocarburo. La celulosa es un compuesto polimérico polihidroxilado que no se disuelve ni se funde. Tras la eterificación, la celulosa es soluble en agua, soluciones alcalinas diluidas y disolventes orgánicos, y presenta termoplasticidad.

La celulosa es un compuesto polimérico polihidroxilado que no se disuelve ni se funde. Tras la eterificación, es soluble en agua, soluciones alcalinas diluidas y disolventes orgánicos, y presenta termoplasticidad.

1. Naturaleza:

La solubilidad de la celulosa después de la eterificación cambia significativamente. Se puede disolver en agua, ácido diluido, álcali diluido o disolvente orgánico. La solubilidad depende principalmente de tres factores: (1) Las características de los grupos introducidos en el proceso de eterificación, el introducido Cuanto mayor sea el grupo, menor será la solubilidad y cuanto más fuerte sea la polaridad del grupo introducido, más fácil será que el éter de celulosa se disuelva en agua; (2) El grado de sustitución y la distribución de los grupos eterificados en la macromolécula. La mayoría de los éteres de celulosa solo se pueden disolver en agua bajo un cierto grado de sustitución, y el grado de sustitución está entre 0 y 3; (3) El grado de polimerización del éter de celulosa, cuanto mayor sea el grado de polimerización, menos soluble; Cuanto menor sea el grado de sustitución que se puede disolver en agua, más amplio será el rango. Hay muchos tipos de éteres de celulosa con un rendimiento excelente y se utilizan ampliamente en la construcción, el cemento, el petróleo, la alimentación, los textiles, los detergentes, la pintura, la medicina, la fabricación de papel, los componentes electrónicos y otras industrias.

2. Desarrollar:

China es el mayor productor y consumidor mundial de éter de celulosa, con una tasa de crecimiento anual promedio superior al 20 %. Según estadísticas preliminares, existen alrededor de 50 empresas productoras de éter de celulosa en China, con una capacidad de producción diseñada de más de 400 000 toneladas, y unas 20 empresas con más de 10 000 toneladas, distribuidas principalmente en Shandong, Hebei, Chongqing, Jiangsu, Zhejiang, Shanghái y otras ciudades.

3. Necesidad:

En 2011, la capacidad de producción de CMC en China era de aproximadamente 300.000 toneladas. Con la creciente demanda de éteres de celulosa de alta calidad en industrias como la médica, la alimentaria y la química de uso diario, la demanda interna de otros productos de éter de celulosa distintos de la CMC está en aumento. La capacidad de producción de MC/HPMC es de aproximadamente 120.000 toneladas, y la de HEC, de aproximadamente 20.000 toneladas. El PAC aún se encuentra en fase de promoción y aplicación en China. Con el desarrollo de grandes yacimientos petrolíferos en alta mar y el desarrollo de las industrias de materiales de construcción, alimentaria, química y otras, la cantidad y el campo del PAC aumentan y se expanden año tras año, con una capacidad de producción de más de 10.000 toneladas.

4. Clasificación:

Según la clasificación química de los sustituyentes, estos se dividen en éteres aniónicos, catiónicos y no iónicos. Según el agente de eterificación utilizado, se encuentran metilcelulosa, hidroxietilmetilcelulosa, carboximetilcelulosa, etilcelulosa, bencilcelulosa, hidroxietilcelulosa, hidroxipropilmetilcelulosa, cianoetilcelulosa, bencilcianoetilcelulosa, carboximetilhidroxietilcelulosa y fenilcelulosa, entre otros. La metilcelulosa y la etilcelulosa son más prácticas.

Metilcelulosa:

Tras el tratamiento alcalino del algodón refinado, se produce éter de celulosa mediante una serie de reacciones con cloruro de metano como agente de eterificación. Generalmente, el grado de sustitución es de 1,6 a 2,0, y la solubilidad también varía según el grado de sustitución. Pertenece al grupo de los éteres de celulosa no iónicos.

(1) La metilcelulosa es soluble en agua fría y difícilmente soluble en agua caliente. Su solución acuosa es muy estable en un rango de pH de 3 a 12. Presenta buena compatibilidad con almidón, goma guar, etc., y numerosos surfactantes. Cuando la temperatura alcanza la temperatura de gelificación, se produce la gelificación.

(2) La retención de agua de la metilcelulosa depende de la cantidad añadida, la viscosidad, el tamaño de partícula y la velocidad de disolución. Generalmente, si la cantidad añadida es alta, la finura es baja y la viscosidad alta, la tasa de retención de agua es alta. Entre ellos, la cantidad añadida tiene el mayor impacto en la tasa de retención de agua, y la viscosidad no es directamente proporcional a esta. La velocidad de disolución depende principalmente del grado de modificación superficial de las partículas de celulosa y de su finura. Entre los éteres de celulosa mencionados, la metilcelulosa y la hidroxipropilmetilcelulosa presentan mayores tasas de retención de agua.

(3) Los cambios de temperatura pueden afectar gravemente la retención de agua de la metilcelulosa. Generalmente, a mayor temperatura, menor retención de agua. Si la temperatura del mortero supera los 40 °C, la retención de agua de la metilcelulosa se reducirá significativamente, lo que afectará gravemente su construcción.

(4)MetilcelulosaTiene un efecto significativo en la trabajabilidad y la cohesión del mortero. La "adhesividad" se refiere a la fuerza de unión percibida entre la herramienta de aplicación y el sustrato de la pared, es decir, la resistencia al corte del mortero. La adhesividad es alta, la resistencia al corte del mortero es alta y la resistencia requerida por los trabajadores durante su uso también es alta, lo que resulta en un rendimiento constructivo deficiente. La cohesión de la metilcelulosa es media en los productos de éter de celulosa.

Hidroxipropilmetilcelulosa:

La hidroxipropilmetilcelulosa es una variedad de celulosa cuya producción y consumo están en rápido aumento. Se trata de un éter mixto de celulosa no iónico elaborado a partir de algodón refinado tras la alcalinización, utilizando óxido de propileno y cloruro de metilo como agentes de eterificación, mediante una serie de reacciones. El grado de sustitución es generalmente de 1,2 a 2,0. Sus propiedades varían según la proporción de metoxilo e hidroxipropilo.

(1) La hidroxipropilmetilcelulosa es fácilmente soluble en agua fría, pero presenta dificultades para disolverse en agua caliente. Sin embargo, su temperatura de gelificación en agua caliente es significativamente mayor que la de la metilcelulosa. Su solubilidad en agua fría también es mucho mejor que la de la metilcelulosa.

(2) La viscosidad de la hidroxipropilmetilcelulosa está relacionada con su peso molecular, y cuanto mayor sea este, mayor será su viscosidad. La temperatura también afecta su viscosidad; al aumentarla, disminuye. Sin embargo, la influencia de su alta viscosidad y la temperatura es menor que la de la metilcelulosa. Su solución es estable cuando se almacena a temperatura ambiente.

(3) La retención de agua de la hidroxipropilmetilcelulosa depende de la cantidad de adición, la viscosidad, etc., y su tasa de retención de agua bajo la misma cantidad de adición es mayor que la de la metilcelulosa.

(4)HidroxipropilmetilcelulosaEs estable a ácidos y álcalis, y su solución acuosa es muy estable en un rango de pH de 2 a 12. La sosa cáustica y el agua de cal tienen poco efecto en su rendimiento, pero los álcalis pueden acelerar su disolución y aumentar ligeramente su viscosidad. La hidroxipropilmetilcelulosa es estable a las sales comunes, pero cuando la concentración de la solución salina es alta, su viscosidad tiende a aumentar.

(5) La hidroxipropilmetilcelulosa puede mezclarse con compuestos poliméricos solubles en agua para formar una solución uniforme y de mayor viscosidad, como el alcohol polivinílico, el éter de almidón, la goma vegetal, etc.

(6) La hidroxipropilmetilcelulosa tiene una mejor resistencia a las enzimas que la metilcelulosa y es menos probable que su solución sea degradada por enzimas que la metilcelulosa.

(7) La adhesión de la hidroxipropilmetilcelulosa a la construcción de mortero es mayor que la de la metilcelulosa.

Hidroxietilcelulosa:

Se fabrica a partir de algodón refinado tratado con álcali y reaccionado con óxido de etileno como agente de eterificación en presencia de isopropanol. Su grado de sustitución es generalmente de 1,5 a 2,0. Presenta una alta hidrofilicidad y absorbe fácilmente la humedad.

(1) La hidroxietilcelulosa es soluble en agua fría, pero difícil de disolver en agua caliente. Su solución es estable a altas temperaturas sin gelificarse. Puede utilizarse durante largos periodos a altas temperaturas en morteros, pero su retención de agua es menor que la de la metilcelulosa.

(2) La hidroxietilcelulosa es estable a ácidos y álcalis, y estos últimos pueden acelerar su disolución y aumentar ligeramente su viscosidad. Su dispersabilidad en agua es ligeramente inferior a la de la metilcelulosa y la hidroxipropilmetilcelulosa.

(3) La hidroxietilcelulosa tiene un buen rendimiento anti-pandeo para el mortero, pero tiene un tiempo de retardo más largo para el cemento.

(4) El rendimiento de la hidroxietilcelulosa producida por algunas empresas nacionales es obviamente inferior al de la metilcelulosa debido a su alto contenido de agua y alto contenido de cenizas.

(5) El moho en la solución acuosa de hidroxietilcelulosa es relativamente grave. A una temperatura de aproximadamente 40 °C, puede aparecer en un plazo de 3 a 5 días, lo que afecta su rendimiento.

Carboximetilcelulosa:

El éter de celulosa lónica se elabora a partir de fibras naturales (algodón, etc.) tras un tratamiento alcalino, utilizando monocloroacetato de sodio como agente de eterificación y sometiéndose a una serie de tratamientos de reacción. El grado de sustitución suele ser de 0,4 a 1,4, y su rendimiento se ve afectado en gran medida por este.

(1) La carboximetilcelulosa es más higroscópica y contendrá más agua cuando se almacena en condiciones generales.

(2) La solución acuosa de carboximetilcelulosa no forma gel y su viscosidad disminuye con el aumento de la temperatura. Cuando la temperatura supera los 50 °C, la viscosidad es irreversible.

(3) Su estabilidad se ve muy afectada por el pH. Generalmente, se puede utilizar en morteros a base de yeso, pero no en morteros a base de cemento. En condiciones muy alcalinas, pierde viscosidad.

(4) Su retención de agua es mucho menor que la de la metilcelulosa. Tiene un efecto retardante sobre el mortero a base de yeso y reduce su resistencia. Sin embargo, el precio de la carboximetilcelulosa es significativamente menor que el de la metilcelulosa.

Éter alquilo de celulosa:

Entre los más representativos se encuentran la metilcelulosa y la etilcelulosa. En la producción industrial, se suele utilizar cloruro de metilo o cloruro de etilo como agente de eterificación, y la reacción es la siguiente:

En la fórmula, R representa CH₃ o C₂H₃. La concentración de álcali no solo afecta el grado de eterificación, sino también el consumo de haluros de alquilo. Cuanto menor sea la concentración de álcali, mayor será la hidrólisis del haluro de alquilo. Para reducir el consumo de agente eterificante, debe aumentarse la concentración de álcali. Sin embargo, si la concentración de álcali es demasiado alta, se reduce el efecto de hinchamiento de la celulosa, lo que perjudica la reacción de eterificación y, por lo tanto, el grado de eterificación. Para ello, se puede añadir lejía concentrada o sólida durante la reacción. El reactor debe contar con un buen sistema de agitación y desgarramiento para que el álcali se distribuya uniformemente. La metilcelulosa se utiliza ampliamente como espesante, adhesivo y coloide protector. También se puede utilizar como dispersante para la polimerización en emulsión, dispersante adhesivo para semillas, suspensión textil, aditivo para alimentos y cosméticos, adhesivo médico, material de recubrimiento de fármacos, y se utiliza en pintura de látex, tinta de impresión, producción de cerámica y se mezcla en cemento para controlar el tiempo de fraguado y aumentar la resistencia inicial, etc. Los productos de etilcelulosa tienen alta resistencia mecánica, flexibilidad, resistencia al calor y al frío. La etilcelulosa de baja sustitución es soluble en agua y soluciones alcalinas diluidas, y los productos de alta sustitución son solubles en la mayoría de los disolventes orgánicos. Tiene buena compatibilidad con diversas resinas y plastificantes. Se puede utilizar para hacer plásticos, películas, barnices, adhesivos, látex y materiales de recubrimiento para medicamentos, etc. La introducción de grupos hidroxialquilo en éteres de alquilo de celulosa puede mejorar su solubilidad, reducir su sensibilidad a la salinización, aumentar la temperatura de gelificación y mejorar las propiedades de fusión en caliente, etc. El grado de cambio en las propiedades anteriores varía con la naturaleza de los sustituyentes y la relación de grupos alquilo a hidroxialquilo.

Éter hidroxialquílico de celulosa:

Los más representativos son la hidroxietilcelulosa y la hidroxipropilcelulosa. Los agentes eterificantes son epóxidos como el óxido de etileno y el óxido de propileno. Se utiliza un ácido o una base como catalizador. La producción industrial consiste en la reacción de celulosa alcalina con un agente eterificante.hidroxietilcelulosaCon un alto valor de sustitución, es soluble tanto en agua fría como en agua caliente. La hidroxipropilcelulosa con alto valor de sustitución solo es soluble en agua fría, pero no en agua caliente. La hidroxietilcelulosa puede utilizarse como espesante para recubrimientos de látex, pastas para impresión y teñido de textiles, materiales de encolado de papel, adhesivos y coloides protectores. Su uso es similar al de la hidroxietilcelulosa. La hidroxipropilcelulosa con bajo valor de sustitución puede utilizarse como excipiente farmacéutico, con propiedades tanto aglutinantes como desintegrantes.

La carboximetilcelulosa, abreviatura en inglés de CMC, se presenta generalmente en forma de sal sódica. El agente eterificante es el ácido monocloroacético, y la reacción es la siguiente:

La carboximetilcelulosa es el éter de celulosa soluble en agua más utilizado. Anteriormente, se utilizaba principalmente como lodo de perforación, pero ahora se ha extendido su uso como aditivo para detergentes, lodos para ropa, pinturas de látex, recubrimientos de cartón y papel, etc. La carboximetilcelulosa pura se puede utilizar en alimentos, medicamentos, cosméticos y también como adhesivo para cerámica y moldes.

La celulosa polianiónica (PAC) es un éter iónico de celulosa y un sustituto de alta gama de la carboximetilcelulosa (CMC). Se presenta en forma de polvo o gránulo blanco, blanquecino o ligeramente amarillento, no tóxico, insípido, fácil de disolver en agua para formar una solución transparente con cierta viscosidad, con mejor resistencia al calor y a la sal, y fuertes propiedades antibacterianas. No se oxida ni se deteriora. Se caracteriza por su alta pureza, alto grado de sustitución y distribución uniforme de sustituyentes. Se puede utilizar como aglutinante, espesante, modificador reológico, reductor de pérdida de fluidos, estabilizador de suspensiones, etc. La celulosa polianiónica (PAC) se utiliza ampliamente en todas las industrias donde se aplica la CMC, lo que permite reducir considerablemente la dosis, facilitar su uso, proporcionar mayor estabilidad y cumplir con los requisitos de proceso más exigentes.

La cianoetilcelulosa es el producto de la reacción de la celulosa y el acrilonitrilo bajo la catálisis de álcali.

La cianoetilcelulosa posee una constante dieléctrica alta y un bajo coeficiente de pérdidas, y puede utilizarse como matriz de resina para lámparas de fósforo y electroluminiscentes. La cianoetilcelulosa de baja sustitución puede emplearse como papel aislante para transformadores.

Se han preparado éteres de alcoholes grasos superiores, éteres de alquenilo y éteres de alcoholes aromáticos de celulosa, pero no se han utilizado en la práctica.

Los métodos de preparación de éter de celulosa se pueden dividir en método de medio acuoso, método de solvente, método de amasado, método de suspensión, método de gas-sólido, método de fase líquida y la combinación de los métodos anteriores.

5.Principio de preparación:

La pulpa con alto contenido de α-celulosa se impregna en una solución alcalina para hincharla y destruir más enlaces de hidrógeno, facilitar la difusión de reactivos y generar celulosa alcalina. Posteriormente, reacciona con un agente eterificante para obtener éter de celulosa. Los agentes eterificantes incluyen haluros de hidrocarburos (o sulfatos), epóxidos y compuestos α y β insaturados con aceptores de electrones.

6.Rendimiento básico:

Los aditivos desempeñan un papel fundamental en la mejora del rendimiento del mortero seco para la construcción y representan más del 40 % del coste del material. Una parte considerable de los aditivos en el mercado nacional proviene de fabricantes extranjeros, y la dosis de referencia del producto también la proporciona el proveedor. En consecuencia, el coste de los morteros secos sigue siendo elevado y resulta difícil popularizar los morteros comunes para mampostería y revoque, con una amplia gama de productos. Los productos de alta gama están controlados por empresas extranjeras, y los fabricantes de morteros secos presentan bajos beneficios y precios asequibles; la aplicación de aditivos carece de una investigación sistemática y específica, y se basa ciegamente en fórmulas extranjeras.

El agente retenedor de agua es un aditivo clave para mejorar la retención de agua del mortero seco, y también es uno de los aditivos clave para determinar el costo de los materiales de mortero seco. La función principal del éter de celulosa es la retención de agua.

El éter de celulosa es un término general para una serie de productos producidos por la reacción de celulosa alcalina y agente eterificante bajo ciertas condiciones. La celulosa alcalina es reemplazada por diferentes agentes eterificantes para obtener diferentes éteres de celulosa. Según las propiedades de ionización de los sustituyentes, los éteres de celulosa pueden dividirse en dos categorías: iónicos (como carboximetilcelulosa) y no iónicos (como metilcelulosa). Según el tipo de sustituyente, el éter de celulosa puede dividirse en monoéter (como metilcelulosa) y éter mixto (como hidroxipropilmetilcelulosa). Según diferente solubilidad, puede dividirse en solubilidad en agua (como hidroxietilcelulosa) y solubilidad en solventes orgánicos (como etilcelulosa). El mortero mezclado en seco es principalmente celulosa soluble en agua, y la celulosa soluble en agua se divide en tipo instantáneo y tipo de disolución retardada con tratamiento superficial.

El mecanismo de acción del éter de celulosa en el mortero es el siguiente:

(1) Después de laéter de celulosaen el mortero se disuelve en agua, la distribución efectiva y uniforme del material cementante en el sistema está asegurada debido a la actividad superficial, y el éter de celulosa, como coloide protector, “envuelve” las partículas sólidas y se forma una capa de película lubricante en su superficie exterior, lo que hace que el sistema de mortero sea más estable, y también mejora la fluidez del mortero durante el proceso de mezcla y la suavidad de la construcción.

(2) Debido a su propia estructura molecular, la solución de éter de celulosa hace que la humedad en el mortero no se pierda fácilmente y la libera gradualmente durante un largo período de tiempo, lo que le otorga al mortero una buena retención de agua y trabajabilidad.