Selluloosaeetteri on synteettinen polymeeri, joka on valmistettu luonnonselluloosasta kemiallisen modifioinnin avulla. Selluloosaeetteri on luonnonselluloosan johdannainen. Selluloosaeetterin ja synteettisen polymeerin tuotanto on erilaista. Sen perusmateriaali on selluloosa, luonnonpolymeeriyhdisteet. Luonnollisen selluloosan rakenteen erityispiirteiden vuoksi selluloosalla itsellään ei ole kykyä reagoida eetteröintiaineen kanssa. Turvotusaineen käsittelyn jälkeen molekyyliketjujen ja -ketjujen väliset vahvat vetysidokset tuhoutuvat, ja hydroksyyliryhmän aktiivisuus vapautuu reaktiokykyiseksi alkaliselluloosaksi. Selluloosaeetteri saadaan eetteröintiaineen ja OH-ryhmän reaktion kautta OR-ryhmäksi.
Selluloosaeetterien ominaisuudet riippuvat substituenttien tyypistä, lukumäärästä ja jakaumasta. Selluloosaeetterien luokittelu perustuu myös substituenttien tyyppiin, eetteröintiasteeseen, liukoisuuteen ja niihin liittyvään sovellukseen. Molekyyliketjussa olevien substituenttien tyypin mukaan ne voidaan jakaa yksittäiseen eetteriin ja sekaeettereeseen. MC:tä käytetään yleensä yksittäisenä eetterinä, kun taas HPmc on sekaeetterina. Metyyliselluloosaeetteri MC on luonnollinen selluloosan glukoosiyksikkö, joka on hydroksyylissä ja korvattu metoksidilla. Rakennekaava on [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X. Hydroksipropyylimetyyliselluloosaeetteri HPmc on hydroksyylissä oleva yksikkö, joka on korvattu metoksidilla ja hydroksipropyylissä olevalla yksikköllä. Rakennekaava on [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] X. Hydroksietyylimetyyliselluloosaeetteri HEmc on laajalti käytetty ja myyty markkinoilla.
Liukoisuuden perusteella ne voidaan jakaa ionisiin ja ionittomiin tyyppeihin. Vesiliukoinen ioniton selluloosaeetteri koostuu pääasiassa alkyylieetteristä ja hydroksyylialkyylieetteristä, joista kahdesta on erilaisia. Ionista CMC:tä käytetään pääasiassa synteettisissä pesuaineissa, tekstiileissä, painatuksessa, elintarvikkeissa ja öljyntuotannossa. Ionitonta MC:tä, HPmc:tä, HEmc:tä ja muita käytetään pääasiassa rakennusmateriaaleissa, lateksipinnoitteissa, lääketieteessä, päivittäisessä kemiassa ja muissa sovelluksissa. Sitä käytetään sakeuttamisaineena, vedenpidätysaineena, stabilointiaineena, dispergointiaineena ja kalvonmuodostajana.
Selluloosaeetterin vedenpidätyskyky
Rakennusmateriaalien, erityisesti kuivasekoitetun laastin, tuotannossa selluloosaeetterillä on korvaamaton rooli, erityisesti erikoislaastin (modifioidun laastin) tuotannossa, se on välttämätön osa.
Vesiliukoisen selluloosaeetterin tärkeä rooli laastissa on pääasiassa kolme näkökohtaa: yksi on erinomainen vedenpidätyskyky, toinen on laastin konsistenssin ja tiksotropian vaikutus ja kolmas on vuorovaikutus sementin kanssa.
Selluloosaeetterin vedenpidätyskyky riippuu hydroskooppisuudesta, laastin koostumuksesta, laastikerroksen paksuudesta, laastin vedentarpeesta ja kondensaatiomateriaalin kondensaatioajasta. Selluloosaeetterin vedenpidätyskyky johtuu itse selluloosaeetterin liukoisuudesta ja dehydraatiosta. On hyvin tunnettua, että selluloosamolekyyliketjut, vaikka ne sisältävätkin suuren määrän erittäin hydratoituneita OH-ryhmiä, ovat veteen liukenemattomia erittäin kiteisen rakenteensa vuoksi. Pelkkä hydroksyyliryhmien hydraatiokyky ei riitä kattamaan vahvoja molekyylien välisiä vetysidoksia ja van der Waalsin voimia. Kun molekyyliketjuun lisätään substituentteja, paitsi substituentit tuhoavat vetyketjun, myös ketjujen väliset vetysidokset katkeavat vierekkäisten ketjujen välisten substituenttien kiilautumisen vuoksi. Mitä suurempia substituentit ovat, sitä suurempi on molekyylien välinen etäisyys. Mitä suurempi vetysidosten tuhoutumisvaikutus ja selluloosahilan laajeneminen, sitä suurempi on liuoksen muuttuminen vesiliukoiseksi ja viskositeetin omaavan liuoksen muodostuminen. Lämpötilan noustessa polymeerin hydraatio vähenee ja ketjujen välinen vesi poistuu. Kun dehydraatiovaikutus on riittävä, molekyylit alkavat aggregoitua ja geeli taittuu kolmiulotteiseksi verkoksi. Laastin vedenpidätyskykyyn vaikuttavia tekijöitä ovat selluloosaeetterin viskositeetti, annostus, hiukkasten hienous ja käyttölämpötila.
Mitä suurempi selluloosaeetterin viskositeetti on, sitä parempi on vedenpidätyskyky ja polymeeriliuoksen viskositeetti. Polymeerin molekyylipaino (polymeroitumisaste) määräytyy myös ketjun pituuden ja molekyylirakenteen morfologian mukaan, ja substituenttien lukumäärän jakauma vaikuttaa suoraan viskositeettialueeseen. [eta] = Km alfa
Polymeeriliuosten sisäinen viskositeetti
M-polymeerin molekyylipaino
α-polymeerin ominaisvakio
K-viskositeettiliuoskerroin
Polymeeriliuoksen viskositeetti riippuu polymeerin molekyylipainosta. Selluloosaeetteriliuosten viskositeetti ja pitoisuus liittyvät erilaisiin sovelluksiin. Siksi jokaisella selluloosaeettereellä on monia erilaisia viskositeettivaatimuksia, ja viskositeetin säätely tapahtuu pääasiassa alkaliselluloosan hajottamisen eli selluloosamolekyyliketjun katkeamisen kautta.
Hiukkaskoon osalta mitä hienompi hiukkanen, sitä parempi vedenpidätyskyky. Selluloosaeetterin suuret hiukkaset joutuvat kosketuksiin veden kanssa, jolloin pinta liukenee välittömästi ja muodostaa geelin, joka kietoo materiaalin ympärille estäen vesimolekyylien pääsyn materiaaliin. Pitkäaikainen sekoittaminen ei joskus mahdollista tasaista liukenemista, jolloin muodostuu sameaa flokkuloivaa liuosta tai agglomeraattia. Selluloosaeetterin liukoisuus on yksi selluloosaeetterin valintaan vaikuttavista tekijöistä.
Selluloosaeetterin sakeutuminen ja tiksotropia
Selluloosaeetterin toinen vaikutus – sakeuttaminen – riippuu: selluloosaeetterin polymeroitumisasteesta, liuoksen pitoisuudesta, leikkausnopeudesta, lämpötilasta ja muista olosuhteista. Liuoksen geeliytymisominaisuus on ainutlaatuinen alkyyliselluloosalle ja sen modifioiduille johdannaisille. Geeliytymisominaisuudet liittyvät substituutioasteeseen, liuoksen pitoisuuteen ja lisäaineisiin. Hydroksyylialkyylimodifioitujen johdannaisten geeliytymisominaisuudet liittyvät myös hydroksyylialkyylimodifiointiasteeseen. Matalaviskositeettisten MC:n ja HPmc:n liuospitoisuuksiin voidaan valmistaa 10–15 %:n pitoisuuksina, keskiviskositeettisten MC:n ja HPmc:n liuospitoisuuksiin 5–10 %:n pitoisuuksina ja korkeaviskositeettisten MC:n ja HPmc:n liuospitoisuuksiin vain 2–3 %:n pitoisuuksina. Yleensä selluloosaeetterin viskositeettia porrastetaan 1–2 %:n liuoksella. Suurimolekyylipainoisten selluloosaeetterin sakeuttamisaineen tehokkuus: samassa liuospitoisuudessa eri molekyylipainoisilla polymeereillä on erilainen viskositeetti. Viskositeetti ja molekyylipaino voidaan ilmaista seuraavasti: [η] = 2,92 × 10⁻² (DPn) 0,905, DPn on korkeamolekyylipainoisen selluloosaeetterin keskimääräinen polymeroitumisaste. Lisää molekyylipainoista selluloosaeetteriä halutun viskositeetin saavuttamiseksi. Sen viskositeetti riippuu vähemmän leikkausnopeudesta, korkea viskositeetti saavuttaa tavoiteviskositeetin, tarvittava määrä on pienempi, viskositeetti riippuu sakeuttamistehokkuudesta. Siksi tietyn konsistenssin saavuttamiseksi on varmistettava tietty määrä selluloosaeetteriä (liuoksen pitoisuus) ja liuoksen viskositeetti. Liuoksen geeliytymislämpötila laski lineaarisesti liuoksen pitoisuuden kasvaessa, ja geeliytyminen tapahtui huoneenlämmössä tietyn pitoisuuden saavuttamisen jälkeen. HPmc:llä on korkea geeliytymispitoisuus huoneenlämmössä.
Sakeutta voidaan säätää myös valitsemalla hiukkaskokoa ja selluloosaeettereitä, joilla on eriasteiset modifikaatiot. Niin sanottu modifikaatio on hydroksyylialkyyliryhmän lisääminen tietyssä substituutioasteessa MC:n runkorakenteeseen. Muuttamalla kahden substituentin suhteellisia substituutioarvoja, eli metoksi- ja hydroksyyliryhmien DS- ja MS-suhteellisia substituutioarvoja. Selluloosaeetterin erilaisia ominaisuuksia vaaditaan muuttamalla kahdenlaisten substituenttien suhteellisia substituutioarvoja.
sakeuden ja modifioinnin välinen suhde. Kuvassa 5 selluloosaeetterin lisääminen vaikuttaa laastin vedenkulutukseen ja muuttaa veden ja sementin vesi-sideainesuhdetta eli sakeuttamisvaikutusta. Mitä suurempi annos, sitä suurempi vedenkulutus.
Jauhemaisissa rakennusmateriaaleissa käytettävien selluloosaeetterien on liukenettava nopeasti kylmään veteen ja annettava järjestelmälle oikea konsistenssi. Jos tietyllä leikkausnopeudella tuote on edelleen flokkuloiva ja kolloidinen, se on heikkolaatuinen.
Sementtilietteen sakeuden ja selluloosaeetterin annostuksen välillä on myös hyvä lineaarinen suhde. Selluloosaeetteri voi lisätä laastin viskositeettia huomattavasti. Mitä suurempi annos, sitä selvempi vaikutus.
Korkean viskositeetin omaavalla selluloosaeetterin vesiliuoksella on korkea tiksotropia, mikä on yksi selluloosaeetterin ominaisuuksista. Mc-tyyppisten polymeerien vesiliuoksilla on yleensä pseudoplastinen, ei-tiksotrooppinen juoksevuus geelin lämpötilan alapuolella, mutta Newtonin virtausominaisuudet pienillä leikkausnopeuksilla. Pseudoplastisuus kasvaa selluloosaeetterin molekyylipainon tai pitoisuuden kasvaessa, eikä se riipu substituenttityypistä tai -pitoisuudesta. Siksi saman viskositeettiluokan selluloosaeetterit, olipa kyseessä MC, HPmc tai HEmc, osoittavat aina samoja reologisia ominaisuuksia, kunhan pitoisuus ja lämpötila pysyvät vakioina. Lämpötilan noustessa muodostuu rakennegeeliä ja tapahtuu korkea tiksotrooppinen virtaus. Korkean konsentraation ja matalan viskositeetin omaavat selluloosaeetterit osoittavat tiksotropiaa jopa geelin lämpötilan alapuolella. Tästä ominaisuudesta on paljon hyötyä rakennuslaastin rakentamisessa sen virtauksen ja virtauksen pidättymisominaisuuksien säätämisessä. Tässä on selitettävä, että mitä korkeampi selluloosaeetterin viskositeetti on, sitä parempi on vedenpidätyskyky, mutta mitä korkeampi viskositeetti on, sitä suurempi on selluloosaeetterin suhteellinen molekyylipaino, mikä vastaavasti vähentää sen liukoisuutta, mikä vaikuttaa negatiivisesti laastin pitoisuuteen ja rakennusominaisuuksiin. Mitä korkeampi viskositeetti, sitä selvempi laastin sakeuttamisvaikutus on, mutta tämä ei ole täysin verrannollinen suhde. Vaikka viskositeetti on jonkin verran alhaisempi, modifioidulla selluloosaeetterillä on erinomainen suorituskyky märän laastin rakenteellisen lujuuden parantamisessa. Viskositeetin kasvaessa selluloosaeetterin vedenpidätyskyky paranee.
Julkaisun aika: 30.3.2022