L'éther de cellulose est un polymère synthétique obtenu par modification chimique de la cellulose naturelle. Dérivé de la cellulose naturelle, sa production diffère de celle des autres polymères synthétiques. La cellulose, polymère naturel, est sa matière première de base. De par sa structure particulière, la cellulose naturelle ne réagit pas directement avec un agent d'éthérification. Cependant, après traitement avec un agent de gonflement, les fortes liaisons hydrogène entre les chaînes moléculaires sont rompues, libérant ainsi l'activité des groupes hydroxyle. La cellulose alcaline devient alors réactive, et l'éther de cellulose est obtenu par la réaction des groupes -OH avec l'agent d'éthérification, transformant les groupes -OR en groupes -OH.
Les propriétés des éthers de cellulose dépendent du type, du nombre et de la distribution des substituants. Leur classification repose également sur le type de substituants, le degré d'éthérification, la solubilité et les applications associées. Selon la nature des substituants sur la chaîne moléculaire, on distingue les éthers simples et les éthers mixtes. Le MC est généralement utilisé comme éther simple, tandis que l'HPmc est un éther mixte. L'éther de méthylcellulose MC est un dérivé naturel de la cellulose dont l'unité de glucose est remplacée par un méthyloxyde au niveau du groupe hydroxyle. Sa formule structurale est [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X. L'éther de méthylcellulose hydroxypropylique HPmc est un dérivé dont une partie du groupe hydroxyle est remplacée par un méthyloxyde et l'autre partie par un groupe hydroxypropyle. Sa formule structurale est [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] X. L'éther de méthylcellulose hydroxyéthylique HEmc est largement utilisé et commercialisé.
Selon leur solubilité, les éthers de cellulose peuvent être classés en deux catégories : ioniques et non ioniques. Les éthers de cellulose non ioniques solubles dans l’eau se composent principalement de deux séries : les éthers alkyliques et les éthers hydroxyalkyliques. Les éthers de cellulose ioniques sont principalement utilisés dans les détergents synthétiques, le textile, l’imprimerie, l’agroalimentaire et l’exploitation pétrolière. Les éthers de cellulose non ioniques, tels que les éthers de cellulose hydroxylés (HPmc) et hydroxyalkylés (HEmc), sont principalement utilisés dans les matériaux de construction, les revêtements en latex, la pharmacie, la chimie du quotidien et d’autres applications. Ils servent d’agents épaississants, de rétenteurs d’eau, de stabilisants, de dispersants et d’agents filmogènes.
rétention d'eau par l'éther de cellulose
Dans la production de matériaux de construction, notamment de mortier sec mélangé, l'éther de cellulose joue un rôle irremplaçable, et notamment dans la production de mortier spécial (mortier modifié), où il constitue un élément indispensable.
Le rôle important de l'éther de cellulose hydrosoluble dans le mortier comporte principalement trois aspects : premièrement, son excellente capacité de rétention d'eau ; deuxièmement, son influence sur la consistance et la thixotropie du mortier ; et troisièmement, son interaction avec le ciment.
La rétention d'eau de l'éther de cellulose dépend de son hygroscopicité, de sa composition, de l'épaisseur de la couche de mortier, de ses besoins en eau et du temps de condensation du matériau. Cette rétention d'eau est due à la solubilité et à la déshydratation de l'éther lui-même. Il est bien connu que les chaînes moléculaires de cellulose, malgré la présence d'un grand nombre de groupes OH fortement hydratés, sont insolubles dans l'eau en raison de leur structure hautement cristalline. L'hydratation des groupes hydroxyle seuls ne suffit pas à compenser les fortes liaisons hydrogène intermoléculaires et les forces de van der Waals. L'introduction de substituants dans la chaîne moléculaire entraîne non seulement la rupture des liaisons hydrogène, mais aussi leur rupture interchaîne, du fait de l'insertion des substituants entre les chaînes adjacentes. Plus les substituants sont volumineux, plus la distance entre les molécules est grande. La rupture des liaisons hydrogène étant plus importante, le réseau cristallin de la cellulose se dilate, rendant l'éther de cellulose soluble dans l'eau et formant une solution à haute viscosité. Lorsque la température augmente, l'hydratation du polymère diminue et l'eau intercalée entre les chaînes est expulsée. Lorsque la déshydratation est suffisante, les molécules s'agrègent et le gel se déploie en un réseau tridimensionnel. La rétention d'eau du mortier dépend de plusieurs facteurs, notamment la viscosité de l'éther de cellulose, le dosage, la finesse des particules et la température d'utilisation.
Plus la viscosité de l'éther de cellulose est élevée, meilleures sont ses performances de rétention d'eau. La viscosité de la solution polymère dépend également de la masse moléculaire (degré de polymérisation) du polymère, déterminée par la longueur et la morphologie de sa chaîne polymérique. La distribution du nombre de substituants influe directement sur la viscosité. [eta] = Km alpha
Viscosité intrinsèque des solutions de polymères
Masse moléculaire du polymère M
constante caractéristique du polymère α
coefficient de viscosité de la solution K
La viscosité d'une solution polymère dépend de la masse moléculaire du polymère. La viscosité et la concentration des solutions d'éther de cellulose sont liées à diverses applications. Par conséquent, chaque éther de cellulose présente des spécifications de viscosité très différentes. La régulation de la viscosité s'effectue principalement par la dégradation de la cellulose alcaline, c'est-à-dire par la rupture de la chaîne moléculaire de la cellulose.
Concernant la taille des particules, plus elles sont fines, meilleure est la rétention d'eau. Au contact de l'eau, les grosses particules d'éther de cellulose se dissolvent immédiatement en surface et forment un gel qui enrobe le matériau, empêchant ainsi la pénétration des molécules d'eau. Parfois, même une agitation prolongée ne permet pas une dispersion homogène, ce qui peut entraîner la formation d'une solution trouble et floconneuse ou d'agglomérats. La solubilité de l'éther de cellulose est un critère de choix important.
Épaississement et thixotropie de l'éther de cellulose
Le second effet de l'éther de cellulose, l'épaississement, dépend du degré de polymérisation de l'éther, de la concentration de la solution, du taux de cisaillement, de la température et d'autres conditions. La gélification est une propriété spécifique de l'alkylcellulose et de ses dérivés modifiés. Les caractéristiques de gélification sont liées au degré de substitution, à la concentration de la solution et aux additifs. Pour les dérivés hydroxylés, les propriétés du gel dépendent également du degré de modification. On peut préparer des solutions de MC et HPmc de faible viscosité à une concentration de 10 à 15 %, de MC et HPmc de viscosité moyenne à 5-10 %, et de MC et HPmc de haute viscosité à seulement 2-3 %. La viscosité de l'éther de cellulose est généralement graduée par incréments de 1 à 2 %. L'efficacité d'épaississant à base d'éther de cellulose de haut poids moléculaire dépend de la concentration de la solution. La viscosité varie selon le polymère (de poids moléculaire différent), et peut être exprimée par la formule suivante : η = 2,92 × 10⁻² (DPn) 0,905, où DPn représente le degré de polymérisation moyen. Pour obtenir la viscosité souhaitée avec un éther de cellulose de bas poids moléculaire, il faut ajouter davantage d'éther. Sa viscosité est moins sensible au taux de cisaillement. À viscosité cible égale, une quantité moindre d'éther est nécessaire, la viscosité dépendant de l'efficacité d'épaississement. Par conséquent, pour obtenir une consistance donnée, il est indispensable d'utiliser une quantité précise d'éther de cellulose (et donc une certaine concentration de la solution) et de garantir la viscosité de la solution. La température de gélification diminue linéairement avec l'augmentation de la concentration, et la gélification se produit à température ambiante à partir d'une certaine concentration. L'HPmc présente une concentration de gélification élevée à température ambiante.
La consistance peut également être ajustée en sélectionnant la taille des particules et les éthers de cellulose présentant différents degrés de modification. Cette modification consiste en l'introduction d'un groupe hydroxyle alkyle, à un certain degré de substitution, sur la structure squelettique du MC. En faisant varier les valeurs relatives de substitution des deux substituants, c'est-à-dire les valeurs relatives DS et MS des groupes méthoxy et hydroxyle, on obtient différentes propriétés de l'éther de cellulose.
La relation entre la consistance et la modification est illustrée à la figure 5. L'ajout d'éther de cellulose influe sur la consommation d'eau du mortier et modifie le rapport eau/liant (eau/ciment), ce qui induit un épaississement. Plus le dosage est élevé, plus la consommation d'eau est importante.
Les éthers de cellulose utilisés dans les matériaux de construction en poudre doivent se dissoudre rapidement dans l'eau froide et conférer au système la consistance adéquate. Si, à un taux de cisaillement donné, le mélange reste floconneux et colloïdal, le produit est de qualité inférieure ou non conforme.
Il existe également une bonne relation linéaire entre la consistance de la barbotine de ciment et le dosage d'éther de cellulose ; l'éther de cellulose peut augmenter considérablement la viscosité du mortier, et plus le dosage est important, plus l'effet est évident.
Les solutions aqueuses d'éther de cellulose à haute viscosité présentent une thixotropie élevée, caractéristique de ces éthers. Les solutions aqueuses de polymères de type MC présentent généralement une fluidité pseudoplastique et non thixotrope en dessous de leur température de gélification, mais des propriétés d'écoulement newtonien à faibles vitesses de cisaillement. La pseudoplasticité augmente avec la masse moléculaire ou la concentration de l'éther de cellulose et est indépendante du type et du degré de substituant. Par conséquent, les éthers de cellulose de même viscosité (MC, HPmc ou HEmc) présentent toujours les mêmes propriétés rhéologiques à concentration et température constantes. Lorsque la température augmente, un gel structural se forme et un écoulement thixotrope important apparaît. Les éthers de cellulose à forte concentration et faible viscosité présentent une thixotropie même en dessous de leur température de gélification. Cette propriété est très avantageuse pour la fabrication de mortiers de construction, car elle permet d'ajuster leur fluidité et leur résistance à l'écoulement. Il convient de préciser que plus la viscosité de l'éther de cellulose est élevée, meilleure est sa rétention d'eau. Cependant, une viscosité élevée s'accompagne d'un poids moléculaire relatif plus important, ce qui réduit sa solubilité et nuit à la concentration du mortier et à ses performances de mise en œuvre. Si l'effet épaississant du mortier est plus marqué avec une viscosité élevée, la relation n'est toutefois pas parfaitement proportionnelle. Certains éthers de cellulose modifiés, même de faible viscosité, améliorent davantage la résistance structurelle du mortier humide. En effet, la rétention d'eau de l'éther de cellulose augmente avec sa viscosité.
Date de publication : 30 mars 2022