El éter de celulosa es un polímero sintético obtenido a partir de celulosa natural mediante modificación química. Si bien su producción es distinta a la de polímeros sintéticos, su materia prima básica es la celulosa, un compuesto polimérico natural. Debido a la particularidad de la estructura de la celulosa natural, esta no reacciona con agentes eterificantes. Sin embargo, tras el tratamiento con un agente hinchante, se rompen los fuertes enlaces de hidrógeno entre las cadenas moleculares, liberando grupos hidroxilo reactivos en la celulosa. El éter de celulosa se obtiene mediante la reacción del agente eterificante, transformando el grupo -OH en un grupo -OR.
Las propiedades de los éteres de celulosa dependen del tipo, número y distribución de los sustituyentes. La clasificación de los éteres de celulosa también se basa en el tipo de sustituyentes, el grado de eterificación, la solubilidad y las aplicaciones relacionadas. Según el tipo de sustituyentes en la cadena molecular, se pueden dividir en éteres simples y éteres mixtos. El MC se utiliza generalmente como éter simple, mientras que el HPmc es un éter mixto. El éter de metilcelulosa MC es una unidad de glucosa de celulosa natural en la que el hidroxilo se reemplaza por metóxido, con la fórmula estructural del producto [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X, el éter de hidroxipropilmetilcelulosa HPmc es una unidad en la que parte del hidroxilo se reemplaza por metóxido, otra parte del hidroxipropilo se reemplaza, la fórmula estructural es [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] X y el éter de hidroxietilmetilcelulosa HEmc, que es ampliamente utilizado y vendido en el mercado.
Según su solubilidad, se pueden dividir en iónicos y no iónicos. El éter de celulosa no iónico soluble en agua se compone principalmente de dos series de variedades: éter alquílico e hidroxialquil éter. El CMC iónico se utiliza principalmente en detergentes sintéticos, textiles, impresión, alimentos y la industria petrolera. Los MC, HPMC, HEMC y otros no iónicos se utilizan principalmente en materiales de construcción, recubrimientos de látex, medicina, química de uso diario y otros ámbitos. Se emplean como agentes espesantes, agentes de retención de agua, estabilizadores, dispersantes y agentes formadores de película.
Retención de agua del éter de celulosa
En la producción de materiales de construcción, especialmente en mortero seco mezclado, el éter de celulosa desempeña un papel insustituible, sobre todo en la producción de mortero especial (mortero modificado), donde es un componente indispensable.
El papel importante del éter de celulosa soluble en agua en el mortero tiene principalmente tres aspectos: uno es su excelente capacidad de retención de agua, el segundo es la influencia en la consistencia y la tixotropía del mortero, y el tercero es la interacción con el cemento.
La retención de agua del éter de celulosa depende de la higroscopicidad, la composición del mortero, el espesor de la capa de mortero, la demanda de agua del mortero y el tiempo de condensación del material de condensación. La retención de agua del éter de celulosa proviene de la solubilidad y la deshidratación del propio éter de celulosa. Es bien sabido que las cadenas moleculares de celulosa, aunque contienen un gran número de grupos OH altamente hidratados, son insolubles en agua debido a su estructura altamente cristalina. La capacidad de hidratación de los grupos hidroxilo por sí sola no es suficiente para compensar los fuertes enlaces de hidrógeno intermoleculares y las fuerzas de van der Waals. Cuando se introducen sustituyentes en la cadena molecular, no solo se destruyen los enlaces de hidrógeno, sino que también se rompen los enlaces de hidrógeno intercatenarios debido a la inserción de los sustituyentes entre cadenas adyacentes. Cuanto mayores son los sustituyentes, mayor es la distancia entre las moléculas. Cuanto mayor es el efecto de destrucción de los enlaces de hidrógeno, mayor es la expansión de la red de celulosa, la solución de éter de celulosa se vuelve soluble en agua, formando una solución de alta viscosidad. A medida que aumenta la temperatura, la hidratación del polímero disminuye y el agua entre las cadenas se expulsa. Cuando el efecto deshidratante es suficiente, las moléculas comienzan a agregarse y el gel se despliega formando una red tridimensional. Los factores que influyen en la retención de agua del mortero incluyen la viscosidad del éter de celulosa, la dosificación, la finura de las partículas y la temperatura de servicio.
Cuanto mayor sea la viscosidad del éter de celulosa, mejor será la retención de agua, así como la viscosidad de la solución polimérica. El peso molecular (grado de polimerización) del polímero también está determinado por la longitud y la morfología de la estructura molecular de la cadena, y la distribución del número de sustituyentes afecta directamente al rango de viscosidad. [eta] = Km alfa
Viscosidad intrínseca de las soluciones poliméricas
Peso molecular del polímero M
Constante característica del polímero α
coeficiente de viscosidad de la solución K
La viscosidad de una solución polimérica depende del peso molecular del polímero. La viscosidad y la concentración de las soluciones de éter de celulosa están relacionadas con diversas aplicaciones. Por lo tanto, cada éter de celulosa presenta diferentes especificaciones de viscosidad, y su regulación se logra principalmente mediante la degradación de la celulosa alcalina, es decir, la ruptura de la cadena molecular de la celulosa.
En cuanto al tamaño de partícula, cuanto más fina sea, mejor será la retención de agua. Cuando las partículas grandes de éter de celulosa entran en contacto con el agua, la superficie se disuelve inmediatamente y forma un gel que envuelve el material, impidiendo que las moléculas de agua sigan penetrando. En ocasiones, una agitación prolongada no permite una disolución uniforme, lo que da lugar a la formación de una solución floculenta turbia o aglomerada. La solubilidad del éter de celulosa es uno de los factores a tener en cuenta al elegirlo.
Espesamiento y tixotropía del éter de celulosa
El segundo efecto del éter de celulosa (espesamiento) depende del grado de polimerización, la concentración de la solución, la velocidad de cizallamiento, la temperatura y otras condiciones. La propiedad de gelificación de la solución es única para la alquilcelulosa y sus derivados modificados. Las características de gelificación están relacionadas con el grado de sustitución, la concentración de la solución y los aditivos. Para los derivados modificados con hidroxialquilo, las propiedades del gel también están relacionadas con el grado de modificación con hidroxialquilo. Para la concentración de la solución de MC y HPmc de baja viscosidad, se puede preparar una solución de concentración del 10%-15%, MC y HPmc de viscosidad media, una solución del 5%-10%, y MC y HPmc de alta viscosidad, solo una solución del 2%-3%, y generalmente la viscosidad del éter de celulosa también se gradúa en una solución del 1%-2%. Eficiencia del espesante de éter de celulosa de alto peso molecular, la misma concentración de solución, diferentes polímeros de peso molecular tienen diferente viscosidad, la viscosidad y el peso molecular se pueden expresar de la siguiente manera, [η]=2.92×10-2 (DPn) 0.905, DPn es el grado de polimerización promedio de alto. El éter de celulosa de bajo peso molecular se agrega más para lograr la viscosidad objetivo. Su viscosidad depende menos de la velocidad de cizallamiento, alta viscosidad para lograr la viscosidad objetivo, la cantidad necesaria para agregar es menor, la viscosidad depende de la eficiencia de espesamiento. Por lo tanto, para lograr una cierta consistencia, se debe garantizar una cierta cantidad de éter de celulosa (concentración de solución) y viscosidad de la solución. La temperatura de gelificación de la solución disminuyó linealmente con el aumento de la concentración de la solución, y la gelificación ocurrió a temperatura ambiente después de alcanzar una cierta concentración. HPmc tiene una alta concentración de gelificación a temperatura ambiente.
La consistencia también se puede ajustar seleccionando el tamaño de partícula y éteres de celulosa con diferentes grados de modificación. La modificación consiste en la introducción de un grupo hidroxilo en un grado determinado de sustitución en la estructura del esqueleto de MC. Al cambiar los valores de sustitución relativos de los dos sustituyentes, es decir, los valores de sustitución relativos DS y MS de los grupos metoxi e hidroxilo, se obtienen diversas propiedades del éter de celulosa.
La relación entre consistencia y modificación. En la Figura 5, la adición de éter de celulosa afecta el consumo de agua del mortero y modifica la relación agua-aglutinante del agua y el cemento, lo que produce un efecto espesante. A mayor dosificación, mayor consumo de agua.
Los éteres de celulosa utilizados en materiales de construcción en polvo deben disolverse rápidamente en agua fría y proporcionar al sistema la consistencia adecuada. Si, incluso a una determinada velocidad de cizallamiento, el producto sigue floculante y coloidal, se trata de un producto de calidad inferior.
También existe una buena relación lineal entre la consistencia de la lechada de cemento y la dosificación de éter de celulosa; el éter de celulosa puede aumentar considerablemente la viscosidad del mortero, y cuanto mayor sea la dosificación, más evidente será el efecto.
Las soluciones acuosas de éter de celulosa de alta viscosidad presentan una elevada tixotropía, característica propia de este polímero. Las soluciones acuosas de polímeros tipo Mc suelen tener una fluidez pseudoplástica, no tixotrópica, por debajo de su temperatura de gelificación, pero propiedades de flujo newtoniano a bajas velocidades de cizallamiento. La pseudoplasticidad aumenta con el incremento del peso molecular o la concentración del éter de celulosa, independientemente del tipo y grado de sustituyente. Por lo tanto, los éteres de celulosa del mismo grado de viscosidad, ya sean MC, HPmc o HEmc, siempre muestran las mismas propiedades reológicas mientras la concentración y la temperatura se mantengan constantes. Al aumentar la temperatura, se forma un gel estructural y se produce un flujo tixotrópico elevado. Los éteres de celulosa de alta concentración y baja viscosidad exhiben tixotropía incluso por debajo de la temperatura de gelificación. Esta propiedad resulta muy beneficiosa para la fabricación de morteros de construcción, ya que permite ajustar su fluidez y su capacidad de retención. Cabe explicar que cuanto mayor sea la viscosidad del éter de celulosa, mejor será su retención de agua. Sin embargo, a mayor viscosidad, mayor será el peso molecular relativo del éter de celulosa, lo que reduce su solubilidad y repercute negativamente en la concentración del mortero y en el rendimiento constructivo. A mayor viscosidad, más evidente será el efecto espesante del mortero, aunque no existe una relación directamente proporcional. Algunos éteres de celulosa modificados de baja viscosidad presentan un rendimiento superior en la mejora de la resistencia estructural del mortero húmedo; a medida que aumenta la viscosidad, mejora la retención de agua del éter de celulosa.
Fecha de publicación: 30 de marzo de 2022