¿Qué es el éter de celulosa?

éter de celulosaEs un compuesto polimérico con estructura de éter, formado a partir de celulosa. Cada anillo de glucosilo en la macromolécula de celulosa contiene tres grupos hidroxilo: el primario en el sexto átomo de carbono, el secundario en el segundo y tercer átomos de carbono, y el hidrógeno del grupo hidroxilo se sustituye por un grupo hidrocarbonado 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 hidrocarbonado. La celulosa es un compuesto polipolimérico hidroxílico que no se disuelve ni se funde. Tras la eterificación, la celulosa es soluble en agua, en soluciones alcalinas diluidas y en disolventes orgánicos, y posee termoplasticidad.

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

1. Naturaleza:

La solubilidad de la celulosa después de la eterificación cambia significativamente. Puede disolverse 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: cuanto mayor sea el grupo introducido, menor será la solubilidad; y cuanto mayor sea la polaridad del grupo introducido, más fácil será disolver el éter de celulosa 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 pueden disolverse en agua con un cierto grado de sustitución, que se encuentra entre 0 y 3; (3) El grado de polimerización del éter de celulosa: cuanto mayor sea el grado de polimerización, menor será la solubilidad; cuanto menor sea el grado de sustitución, mayor será el rango de disolución en agua. Existen muchos tipos de éteres de celulosa con un excelente rendimiento, y se utilizan ampliamente en la construcción, cemento, petróleo, alimentos, textiles, detergentes, pinturas, medicamentos, fabricación de papel y componentes electrónicos, entre 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, la capacidad de producción diseñada de la industria ha superado las 400.000 toneladas, y hay aproximadamente 20 empresas con una capacidad superior a las 10.000 toneladas, distribuidas principalmente en Shandong, Hebei, Chongqing, Jiangsu, Zhejiang, Shanghái y otros lugares.

3. Necesidad:

En 2011, la capacidad de producción de CMC de China era de aproximadamente 300.000 toneladas. Con la creciente demanda de éteres de celulosa de alta calidad en industrias como la farmacéutica, alimentaria y de productos químicos de uso diario, la demanda interna de otros productos de éter de celulosa además de CMC está aumentando. La capacidad de producción de MC/HPMC es de aproximadamente 120.000 toneladas, y la de HEC es de aproximadamente 20.000 toneladas. El PAC todavía está en la etapa de promoción y aplicación en China. Con el desarrollo de grandes campos petrolíferos marinos y el desarrollo de materiales de construcción, alimentos, productos químicos y otras industrias, la cantidad y el campo de aplicación del PAC están aumentando y expandiéndose año tras año, con una capacidad de producción de más de 10.000 toneladas.

4. Clasificación:

Según la clasificación de la estructura química de los sustituyentes, se pueden dividir en éteres aniónicos, catiónicos y no iónicos. Dependiendo del agente de eterificación utilizado, existen metilcelulosa, hidroxietil metilcelulosa, carboximetilcelulosa, etilcelulosa, bencilcelulosa, hidroxietilcelulosa, hidroxipropilmetilcelulosa, cianoetilcelulosa, bencilcianoetilcelulosa, carboximetilhidroxietilcelulosa y fenilcelulosa, entre otros. La metilcelulosa y la etilcelulosa son las más prácticas.

Metilcelulosa:

Tras el tratamiento alcalino del algodón refinado, se obtiene éter de celulosa mediante una serie de reacciones con cloruro de metano como agente de eterificación. Generalmente, el grado de sustitución oscila entre 1,6 y 2,0, y la solubilidad varía según dicho grado. Se trata de un éter de celulosa no iónico.

(1) La metilcelulosa es soluble en agua fría y difícil de disolver en agua caliente. Su solución acuosa es muy estable en el rango de pH de 3 a 12. Presenta buena compatibilidad con almidón, goma guar, etc., y con muchos tensioactivos. La gelificación se produce cuando la temperatura alcanza el punto de gelificación.

(2) La retención de agua de la metilcelulosa depende de su cantidad añadida, viscosidad, tamaño de partícula y velocidad de disolución. Generalmente, si la cantidad añadida es grande, la finura es pequeña y la viscosidad es alta, la tasa de retención de agua es alta. Entre estos factores, la cantidad añadida tiene el mayor impacto en la tasa de retención de agua, y el nivel de viscosidad no es directamente proporcional al nivel de retención de agua. La velocidad de disolución depende principalmente del grado de modificación superficial de las partículas de celulosa y de la finura de las partículas. Entre los éteres de celulosa mencionados, la metilcelulosa y la hidroxipropilmetilcelulosa tienen tasas de retención de agua más altas.

(3) Los cambios de temperatura pueden afectar seriamente 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 seriamente la construcción del mortero.

(4)MetilcelulosaTiene un efecto significativo en la trabajabilidad y la cohesión del mortero. La "adhesividad" se refiere a la fuerza de unión entre la herramienta aplicadora del trabajador y el sustrato de la pared, es decir, la resistencia al corte del mortero. Una alta adhesividad conlleva una gran resistencia al corte, una mayor fuerza requerida por los trabajadores durante su aplicación y un rendimiento deficiente en la construcción. La cohesión de la metilcelulosa se sitúa en un nivel medio en los productos de éter de celulosa.

Hidroxipropilmetilcelulosa:

La hidroxipropilmetilcelulosa es una variedad de celulosa cuya producción y consumo están aumentando rápidamente. Se trata de un éter mixto de celulosa no iónico obtenido a partir de algodón refinado tras un proceso de alcalinización, utilizando óxido de propileno y cloruro de metilo como agentes de eterificación, mediante una serie de reacciones. Su grado de sustitución suele ser de 1,2 a 2,0. Sus propiedades varían en función de la proporción entre el contenido de metoxilo y el de hidroxipropilo.

(1) La hidroxipropilmetilcelulosa es fácilmente soluble en agua fría y 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 mejora notablemente en comparación con la metilcelulosa.

(2) La viscosidad de la hidroxipropilmetilcelulosa está relacionada con su peso molecular; cuanto mayor sea el peso molecular, mayor será la viscosidad. La temperatura también afecta su viscosidad, ya que esta disminuye al aumentar. 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 añadida, la viscosidad, etc., y su tasa de retención de agua con la misma cantidad añadida es mayor que la de la metilcelulosa.

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

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

(6) La hidroxipropilmetilcelulosa tiene mejor resistencia a las enzimas que la metilcelulosa, y su solución es menos propensa a ser degradada por las enzimas que la metilcelulosa.

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

Hidroxietilcelulosa:

Se elabora 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 suele ser de 1,5 a 2,0. Posee una fuerte 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 mucho tiempo a altas temperaturas en mortero, pero su retención de agua es menor que la de la metilcelulosa.

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

(3) La hidroxietilcelulosa tiene un buen rendimiento antidesgaste para el mortero, pero tiene un tiempo de retardo más prolongado 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 de la solución acuosa de hidroxietilcelulosa es relativamente grave. A una temperatura de aproximadamente 40 °C, puede aparecer moho en 3 a 5 días, lo que afectará su rendimiento.

Carboximetilcelulosa:

El éter de celulosa iónica se obtiene a partir de fibras naturales (algodón, etc.) tras un tratamiento alcalino, utilizando monocloroacetato de sodio como agente de eterificación y sometiéndolas a una serie de reacciones químicas. El grado de sustitución suele oscilar entre 0,4 y 1,4, y su rendimiento se ve muy afectado por dicho grado.

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

(2) La solución acuosa de carboximetilcelulosa no produce gel y la 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. Cuando es muy alcalino, pierde viscosidad.

(4) Su capacidad de 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 alquílico de celulosa:

Algunos ejemplos representativos son la metilcelulosa y la etilcelulosa. En la producción industrial, el cloruro de metilo o el cloruro de etilo se utilizan generalmente como agentes de eterificación, y la reacción es la siguiente:

En la fórmula, R representa CH3 o C2H5. 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 del agente eterificante, se debe aumentar la concentración de álcali. Sin embargo, cuando la concentración de álcali es demasiado alta, se reduce el efecto de hinchamiento de la celulosa, lo que no favorece la reacción de eterificación y, por lo tanto, disminuye el grado de eterificación. Para ello, se puede añadir sosa cáustica concentrada o sólida durante la reacción. El reactor debe contar con un buen sistema de agitación para que el álcali se distribuya uniformemente. La metilcelulosa se utiliza ampliamente como espesante, adhesivo y coloide protector, entre otros. También se puede utilizar como dispersante para la polimerización en emulsión, dispersante de unión para semillas, suspensión textil, aditivo para alimentos y cosméticos, adhesivo médico, material de recubrimiento para fármacos, y se utiliza en pintura de látex, tinta de impresión, producción de cerámica y mezclada con 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. Puede utilizarse para fabricar plásticos, películas, barnices, adhesivos, látex y materiales de recubrimiento para fármacos, entre otros. La introducción de grupos hidroxialquilo en los éteres alquílicos de celulosa puede mejorar su solubilidad, reducir su sensibilidad a la precipitación salina, aumentar la temperatura de gelificación y mejorar sus propiedades de fusión en caliente, entre otras. El grado de modificación de estas propiedades varía según la naturaleza de los sustituyentes y la proporción de grupos alquilo e hidroxialquilo.

Éter hidroxialquílico de celulosa:

Algunos ejemplos 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 hacer reaccionar celulosa alcalina con el agente eterificante.hidroxietilcelulosaLa hidroxipropilcelulosa con alto valor de sustitución es soluble tanto en agua fría como caliente. La hidroxietilcelulosa con alto valor de sustitución solo es soluble en agua fría, pero no en agua caliente. La hidroxietilcelulosa se puede utilizar como espesante para recubrimientos de látex, pastas de impresión y teñido textil, materiales de encolado de papel, adhesivos y coloides protectores. El uso de la hidroxipropilcelulosa es similar al de la hidroxietilcelulosa. La hidroxipropilcelulosa con bajo valor de sustitución se puede utilizar como excipiente farmacéutico, que puede tener propiedades tanto aglutinantes como desintegrantes.

La carboximetilcelulosa, cuya abreviatura en inglés es CMC, generalmente existe 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. Antiguamente se empleaba principalmente como lodo de perforación, pero actualmente su uso se ha extendido a aditivos en detergentes, lodos para ropa, pinturas de látex, recubrimientos de cartón y papel, entre otros. 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 de celulosa iónico y un producto sustituto de alta gama para la carboximetilcelulosa (CMC). Es un polvo o gránulo blanco, blanquecino o ligeramente amarillo, no tóxico, insípido, fácil de disolver en agua para formar una solución transparente con cierta viscosidad, con mejor estabilidad térmica y resistencia a la sal, y fuertes propiedades antibacterianas. No se enmohece ni se deteriora. Se caracteriza por su alta pureza, alto grado de sustitución y distribución uniforme de los sustituyentes. Puede utilizarse como aglutinante, espesante, modificador de reología, reductor de pérdida de fluidos, estabilizador de suspensiones, etc. La celulosa polianiónica (PAC) se utiliza ampliamente en todas las industrias donde se puede aplicar CMC, ya que puede reducir considerablemente la dosificación, 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 con el acrilonitrilo bajo la catálisis de un álcali.

La cianoetilcelulosa posee una alta constante dieléctrica 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 alquenílicos y éteres de alcoholes aromáticos de celulosa, pero no se han utilizado en la práctica.

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

5. Principio de preparación:

La pulpa con alto contenido de α-celulosa se sumerge en una solución alcalina para hincharla, lo que provoca la ruptura de más enlaces de hidrógeno, facilita la difusión de los reactivos y genera celulosa alcalina. Posteriormente, reacciona con un agente de eterificación para obtener éter de celulosa. Entre los agentes de eterificación se incluyen haluros (o sulfatos) de hidrocarburos, 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 costo total de los materiales. Una parte considerable de los aditivos en el mercado nacional proviene de fabricantes extranjeros, quienes también proporcionan la dosificación de referencia. Como resultado, el costo de los morteros secos se mantiene elevado, lo que dificulta su comercialización a gran escala. Los productos de alta gama están controlados por empresas extranjeras, y los fabricantes de mortero seco obtienen bajos márgenes de beneficio y precios poco competitivos. Además, la aplicación de aditivos carece de una investigación sistemática y específica, y se siguen ciegamente las fórmulas extranjeras.

El agente retenedor de agua es un aditivo clave para mejorar la retención de agua en el mortero seco, y también es uno de los aditivos clave que determinan el costo de los materiales para este tipo de mortero. 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 obtenidos mediante la reacción de celulosa alcalina con un agente eterificante bajo ciertas condiciones. La celulosa alcalina se sustituye por diferentes agentes eterificantes para obtener distintos éteres de celulosa. Según las propiedades de ionización de los sustituyentes, los éteres de celulosa se pueden dividir en dos categorías: iónicos (como la carboximetilcelulosa) y no iónicos (como la metilcelulosa). Según el tipo de sustituyente, el éter de celulosa se puede dividir en monoéter (como la metilcelulosa) y éter mixto (como la hidroxipropilmetilcelulosa). Según su solubilidad, se puede dividir en soluble en agua (como la hidroxietilcelulosa) y soluble en disolventes orgánicos (como la etilcelulosa). El mortero seco mezclado contiene principalmente celulosa soluble en agua, que se divide en celulosa de disolución instantánea y celulosa 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, al disolverse en agua, se garantiza la distribución eficaz y uniforme del material cementante en el sistema gracias 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 mezclado y la uniformidad 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 período prolongado, dotando al mortero de una buena retención de agua y trabajabilidad.