Che cos'è l'etere di cellulosa?

etere di cellulosaLa cellulosa è un composto polimerico con struttura eterea costituito da cellulosa. Ogni anello glucosilico nella macromolecola di cellulosa contiene tre gruppi ossidrilici: il gruppo ossidrilico primario sul sesto atomo di carbonio, il gruppo ossidrilico secondario sul secondo e terzo atomo di carbonio, e l'idrogeno nel gruppo ossidrilico è sostituito da un gruppo idrocarburico per generare derivati ​​eterei della cellulosa. È un prodotto in cui l'idrogeno del gruppo ossidrilico nel polimero di cellulosa è sostituito da un gruppo idrocarburico. La cellulosa è un composto polimerico poliidrossilico che non si dissolve né fonde. Dopo l'eterificazione, la cellulosa è solubile in acqua, soluzione alcalina diluita e solvente organico, e possiede termoplasticità.

La cellulosa è un composto polimerico poliidrossilico che non si dissolve né fonde. Dopo l'eterificazione, la cellulosa è solubile in acqua, in soluzioni alcaline diluite e in solventi organici, e possiede proprietà termoplastiche.

1. Natura:

La solubilità della cellulosa dopo l'eterificazione cambia significativamente. Può essere disciolta in acqua, acido diluito, alcali diluito o solvente organico. La solubilità dipende principalmente da tre fattori: (1) Le caratteristiche dei gruppi introdotti nel processo di eterificazione. Più grande è il gruppo introdotto, minore è la solubilità e più forte è la polarità del gruppo introdotto, più facile è la dissoluzione dell'etere di cellulosa in acqua; (2) Il grado di sostituzione e la distribuzione dei gruppi eterificati nella macromolecola. La maggior parte degli eteri di cellulosa può essere disciolta in acqua solo con un certo grado di sostituzione, e il grado di sostituzione è compreso tra 0 e 3; (3) Il grado di polimerizzazione dell'etere di cellulosa: maggiore è il grado di polimerizzazione, minore è la solubilità; minore è il grado di sostituzione che può essere disciolto in acqua, maggiore è l'intervallo. Esistono molti tipi di eteri di cellulosa con prestazioni eccellenti e sono ampiamente utilizzati nell'edilizia, nel cemento, nel petrolio, nell'alimentazione, nel tessile, nei detersivi, nelle vernici, in medicina, nella fabbricazione della carta, nei componenti elettronici e in altri settori.

2. Sviluppare:

La Cina è il maggiore produttore e consumatore di etere di cellulosa al mondo, con un tasso di crescita medio annuo superiore al 20%. Secondo le statistiche preliminari, in Cina ci sono circa 50 imprese produttrici di etere di cellulosa, la capacità produttiva progettata per l'industria dell'etere di cellulosa ha superato le 400.000 tonnellate e ci sono circa 20 imprese con più di 10.000 tonnellate, distribuite principalmente nello Shandong, Hebei, Chongqing e Jiangsu, Zhejiang, Shanghai e altre località.

3. Bisogno:

Nel 2011, la capacità produttiva di CMC in Cina era di circa 300.000 tonnellate. Con la crescente domanda di eteri di cellulosa di alta qualità in settori come quello farmaceutico, alimentare e chimico di uso quotidiano, la domanda interna di altri prodotti a base di etere di cellulosa diversi dal CMC è in aumento. La capacità produttiva di MC/HPMC è di circa 120.000 tonnellate, mentre quella di HEC è di circa 20.000 tonnellate. Il PAC è ancora in fase di promozione e applicazione in Cina. Con lo sviluppo di grandi giacimenti petroliferi offshore e lo sviluppo dell'industria dei materiali da costruzione, alimentare, chimica e di altro tipo, la quantità e il campo di applicazione del PAC aumentano e si espandono di anno in anno, con una capacità produttiva di oltre 10.000 tonnellate.

4. Classificazione:

In base alla classificazione della struttura chimica dei sostituenti, questi possono essere suddivisi in eteri anionici, cationici e non ionici. A seconda dell'agente di eterificazione utilizzato, si distinguono metilcellulosa, idrossietilmetilcellulosa, carbossimetilcellulosa, etilcellulosa, benzilcellulosa, idrossietilcellulosa, idrossipropilmetilcellulosa, cianoetilcellulosa, benzilcianoetilcellulosa, carbossimetilidrossietilcellulosa e fenilcellulosa, ecc. Metilcellulosa ed etilcellulosa sono più pratiche.

Metilcellulosa:

Dopo il trattamento alcalino del cotone raffinato, l'etere di cellulosa viene prodotto attraverso una serie di reazioni con cloruro di metano come agente eterificante. Generalmente, il grado di sostituzione è compreso tra 1,6 e 2,0, e anche la solubilità varia a seconda del grado di sostituzione. Appartiene alla categoria degli eteri di cellulosa non ionizzanti.

(1) La metilcellulosa è solubile in acqua fredda e difficilmente si scioglie in acqua calda. La sua soluzione acquosa è molto stabile nell'intervallo di pH = 3~12. Presenta una buona compatibilità con amido, gomma di guar, ecc. e molti tensioattivi. Quando la temperatura raggiunge la temperatura di gelificazione, si verifica la gelificazione.

(2) La ritenzione idrica della metilcellulosa dipende dalla quantità aggiunta, dalla viscosità, dalla granulometria e dalla velocità di dissoluzione. Generalmente, se la quantità aggiunta è elevata, la finezza è bassa e la viscosità è elevata, la velocità di ritenzione idrica è elevata. Tra questi, la quantità aggiunta ha il maggiore impatto sulla velocità di ritenzione idrica e il livello di viscosità non è direttamente proporzionale al livello di velocità di ritenzione idrica. La velocità di dissoluzione dipende principalmente dal grado di modificazione superficiale delle particelle di cellulosa e dalla loro finezza. Tra gli eteri di cellulosa sopra menzionati, la metilcellulosa e l'idrossipropilmetilcellulosa presentano velocità di ritenzione idrica più elevate.

(3) Le variazioni di temperatura possono influire seriamente sulla ritenzione idrica della metilcellulosa. Generalmente, maggiore è la temperatura, peggiore è la ritenzione idrica. Se la temperatura della malta supera i 40 °C, la ritenzione idrica della metilcellulosa si riduce significativamente, compromettendo seriamente la qualità della malta.

(4)metilcellulosaHa un effetto significativo sulla lavorabilità e sulla coesione della malta. Il termine "adesività" si riferisce alla forza di legame percepita tra l'utensile applicatore dell'operatore e il substrato murario, ovvero alla resistenza al taglio della malta. L'adesività è elevata, la resistenza al taglio della malta è elevata e anche la forza richiesta dagli operatori durante l'applicazione è elevata, mentre le prestazioni costruttive della malta sono scarse. La coesione della metilcellulosa nei prodotti a base di etere di cellulosa è a un livello medio.

Idrossipropilmetilcellulosa:

L'idrossipropilmetilcellulosa è una varietà di cellulosa la cui produzione e il cui consumo sono in rapido aumento. Si tratta di un etere misto di cellulosa non ionico ottenuto da cotone raffinato dopo alcalinizzazione, utilizzando ossido di propilene e cloruro di metile come agenti di eterificazione, attraverso una serie di reazioni. Il grado di sostituzione è generalmente compreso tra 1,2 e 2,0. Le sue proprietà variano a seconda del rapporto tra il contenuto di metossile e quello di idrossipropile.

(1) L'idrossipropilmetilcellulosa è facilmente solubile in acqua fredda, mentre incontra difficoltà a dissolversi in acqua calda. Tuttavia, la sua temperatura di gelificazione in acqua calda è significativamente superiore a quella della metilcellulosa. Anche la solubilità in acqua fredda è notevolmente migliorata rispetto alla metilcellulosa.

(2) La viscosità dell'idrossipropilmetilcellulosa è correlata al suo peso molecolare: maggiore è il peso molecolare, maggiore è la viscosità. Anche la temperatura influenza la sua viscosità: all'aumentare della temperatura, la viscosità diminuisce. Tuttavia, l'influenza della sua elevata viscosità e della temperatura è inferiore a quella della metilcellulosa. La sua soluzione è stabile se conservata a temperatura ambiente.

(3) La ritenzione idrica dell'idrossipropilmetilcellulosa dipende dalla quantità aggiunta, dalla viscosità, ecc. e il suo tasso di ritenzione idrica con la stessa quantità aggiunta è superiore a quello della metilcellulosa.

(4)IdrossipropilmetilcellulosaÈ stabile agli acidi e agli alcali e la sua soluzione acquosa è molto stabile nell'intervallo di pH = 2~12. La soda caustica e l'acqua di calce hanno scarso effetto sulle sue prestazioni, ma gli alcali possono accelerarne la dissoluzione e aumentarne leggermente la viscosità. L'idrossipropilmetilcellulosa è stabile ai sali comuni, ma quando la concentrazione della soluzione salina è elevata, la viscosità della soluzione di idrossipropilmetilcellulosa tende ad aumentare.

(5) L'idrossipropilmetilcellulosa può essere miscelata con composti polimerici idrosolubili per formare una soluzione uniforme e ad alta viscosità, come alcol polivinilico, etere di amido, gomma vegetale, ecc.

(6) L'idrossipropilmetilcellulosa ha una migliore resistenza agli enzimi rispetto alla metilcellulosa e la sua soluzione ha meno probabilità di essere degradata dagli enzimi rispetto alla metilcellulosa.

(7) L'adesione dell'idrossipropilmetilcellulosa alla malta da costruzione è superiore a quella della metilcellulosa.

Idrossietilcellulosa:

È ricavato da cotone raffinato trattato con alcali e fatto reagire con ossido di etilene come agente eterificante in presenza di isopropanolo. Il suo grado di sostituzione è generalmente compreso tra 1,5 e 2,0. Presenta una forte idrofilia e assorbe facilmente l'umidità.

(1) L'idrossietilcellulosa è solubile in acqua fredda, ma è difficile da sciogliere in acqua calda. La sua soluzione è stabile ad alta temperatura senza gelificare. Può essere utilizzata a lungo ad alta temperatura nella malta, ma la sua ritenzione idrica è inferiore a quella della metilcellulosa.

(2) L'idrossietilcellulosa è stabile agli acidi e agli alcali in generale, e gli alcali possono accelerarne la dissoluzione e aumentarne leggermente la viscosità. La sua disperdibilità in acqua è leggermente inferiore a quella della metilcellulosa e dell'idrossipropilmetilcellulosa.

(3) L'idrossietilcellulosa ha buone prestazioni anti-colata per la malta, ma ha un tempo di ritardo più lungo per il cemento.

(4) Le prestazioni dell'idrossietilcellulosa prodotta da alcune imprese nazionali sono ovviamente inferiori a quelle della metilcellulosa a causa del suo elevato contenuto di acqua e di ceneri.

(5) La muffa presente nella soluzione acquosa di idrossietilcellulosa è relativamente grave. A una temperatura di circa 40 °C, la muffa può manifestarsi entro 3-5 giorni, compromettendone le prestazioni.

Carbossimetilcellulosa:

L'etere di cellulosa ionico è prodotto da fibre naturali (cotone, ecc.) dopo un trattamento alcalino, utilizzando il monocloroacetato di sodio come agente di eterificazione e sottoponendolo a una serie di trattamenti di reazione. Il grado di sostituzione è generalmente compreso tra 0,4 e 1,4 e le sue prestazioni sono notevolmente influenzate dal grado di sostituzione.

(1) La carbossimetilcellulosa è più igroscopica e conterrà più acqua se conservata in condizioni generali.

(2) La soluzione acquosa di carbossimetilcellulosa non produce gel e la viscosità diminuisce con l'aumentare della temperatura. Quando la temperatura supera i 50 °C, la viscosità è irreversibile.

(3) La sua stabilità è fortemente influenzata dal pH. Generalmente, può essere utilizzato in malte a base di gesso, ma non in malte a base di cemento. Se fortemente alcalino, perderà viscosità.

(4) La sua ritenzione idrica è di gran lunga inferiore a quella della metilcellulosa. Ha un effetto ritardante sulla malta a base di gesso e ne riduce la resistenza. Tuttavia, il prezzo della carbossimetilcellulosa è significativamente inferiore a quello della metilcellulosa.

Etere alchilico di cellulosa:

Tra questi, la metilcellulosa e l'etilcellulosa sono rappresentative. Nella produzione industriale, il cloruro di metile o il cloruro di etile vengono generalmente utilizzati come agenti di eterificazione e la reazione è la seguente:

Nella formula, R rappresenta CH3 o C2H5. La concentrazione di alcali non influenza solo il grado di eterificazione, ma anche il consumo di alogenuri alchilici. Minore è la concentrazione di alcali, maggiore è l'idrolisi dell'alogenuro alchilico. Per ridurre il consumo di agente eterificante, è necessario aumentare la concentrazione di alcali. Tuttavia, quando la concentrazione di alcali è troppo elevata, l'effetto rigonfiante della cellulosa si riduce, il che non favorisce la reazione di eterificazione, riducendo di conseguenza il grado di eterificazione. A tale scopo, è possibile aggiungere liscivia concentrata o solida durante la reazione. Il reattore deve essere dotato di un buon dispositivo di agitazione e rottura in modo che l'alcali possa essere distribuito uniformemente. La metilcellulosa è ampiamente utilizzata come addensante, adesivo e colloide protettivo, ecc. Può anche essere utilizzata come disperdente per la polimerizzazione in emulsione, come disperdente legante per semi, come impasto tessile, come additivo per alimenti e cosmetici, come adesivo medicale, come materiale di rivestimento per farmaci e utilizzata in vernici al lattice, inchiostri da stampa, produzione di ceramica e miscelata nel cemento. Utilizzata per controllare il tempo di presa e aumentare la resistenza iniziale, ecc. I prodotti in etilcellulosa presentano elevata resistenza meccanica, flessibilità, resistenza al calore e al freddo. L'etilcellulosa a bassa sostituzione è solubile in acqua e in soluzioni alcaline diluite, mentre i prodotti ad alta sostituzione sono solubili nella maggior parte dei solventi organici. Presenta una buona compatibilità con varie resine e plastificanti. Può essere utilizzato per produrre materie plastiche, pellicole, vernici, adesivi, lattice e materiali di rivestimento per farmaci, ecc. L'introduzione di gruppi idrossialchilici negli eteri alchilici di cellulosa può migliorarne la solubilità, ridurne la sensibilità al salting out, aumentare la temperatura di gelificazione e migliorare le proprietà di hot melt, ecc. Il grado di variazione delle proprietà di cui sopra varia a seconda della natura dei sostituenti e del rapporto tra gruppi alchilici e idrossialchilici.

Etere idrossialchilico di cellulosa:

Quelle rappresentative sono l'idrossietilcellulosa e l'idrossipropilcellulosa. Gli agenti eterificanti sono epossidi come l'ossido di etilene e l'ossido di propilene. Utilizzare un acido o una base come catalizzatore. La produzione industriale consiste nel far reagire la cellulosa alcalina con l'agente eterificante:idrossietilcellulosaL'idrossipropilcellulosa con alto valore di sostituzione è solubile sia in acqua fredda che calda. L'idrossipropilcellulosa con alto valore di sostituzione è solubile solo in acqua fredda, ma non in acqua calda. L'idrossietilcellulosa può essere utilizzata come addensante per rivestimenti in lattice, paste per stampa e tintura tessile, materiali per l'appretto della carta, adesivi e colloidi protettivi. L'uso dell'idrossipropilcellulosa è simile a quello dell'idrossietilcellulosa. L'idrossipropilcellulosa con basso valore di sostituzione può essere utilizzata come eccipiente farmaceutico, con proprietà sia leganti che disgreganti.

La carbossimetilcellulosa, abbreviazione inglese CMC, esiste generalmente sotto forma di sale sodico. L'agente eterificante è l'acido monocloroacetico e la reazione è la seguente:

La carbossimetilcellulosa è l'etere di cellulosa idrosolubile più utilizzato. In passato, veniva utilizzato principalmente come fango di perforazione, ma ora il suo utilizzo è stato ampliato, arrivando ad essere impiegato come additivo in detergenti, fanghi per indumenti, vernici al lattice, rivestimenti di cartone e carta, ecc. La carbossimetilcellulosa pura può essere utilizzata in alimenti, medicinali, cosmetici e anche come adesivo per ceramiche e stampi.

La cellulosa polianionica (PAC) è un etere di cellulosa ionico ed è un prodotto sostitutivo di fascia alta della carbossimetilcellulosa (CMC). Si presenta come una polvere o un granulo bianco, biancastro o leggermente giallo, atossico, insapore, facilmente solubile in acqua per formare una soluzione trasparente con una certa viscosità, con una migliore resistenza al calore, stabilità al sale e forti proprietà antibatteriche. Non si forma muffa né si deteriora. Presenta elevata purezza, elevato grado di sostituzione e distribuzione uniforme dei sostituenti. Può essere utilizzata come legante, addensante, modificatore di reologia, riduttore di perdite di fluido, stabilizzatore di sospensioni, ecc. La cellulosa polianionica (PAC) è ampiamente utilizzata in tutti i settori in cui è possibile applicare la CMC, riducendone notevolmente il dosaggio, facilitandone l'uso, garantendo una migliore stabilità e soddisfacendo requisiti di processo più elevati.

La cianoetilcellulosa è il prodotto della reazione tra cellulosa e acrilonitrile sotto la catalisi di un alcali.

La cianoetilcellulosa ha un'elevata costante dielettrica e un basso coefficiente di perdita e può essere utilizzata come matrice di resina per lampade al fosforo ed elettroluminescenti. La cianoetilcellulosa a basso tasso di sostituzione può essere utilizzata come carta isolante per trasformatori.

Sono stati preparati eteri di alcoli grassi superiori, eteri alchenilici ed eteri di alcoli aromatici di cellulosa, ma non sono stati utilizzati nella pratica.

I metodi di preparazione dell'etere di cellulosa possono essere suddivisi in metodo in acqua, metodo con solvente, metodo di impasto, metodo in sospensione, metodo gas-solido, metodo in fase liquida e una combinazione dei metodi sopra descritti.

5. Principio di preparazione:

La polpa ad alto contenuto di α-cellulosa viene immersa in una soluzione alcalina per gonfiarla e distruggere ulteriori legami a idrogeno, facilitare la diffusione dei reagenti e generare cellulosa alcalina, per poi reagire con un agente eterificante per ottenere etere di cellulosa. Gli agenti eterificanti includono alogenuri idrocarburici (o solfati), epossidi e composti insaturi α e β con accettori di elettroni.

6. Prestazioni di base:

Gli additivi svolgono un ruolo chiave nel migliorare le prestazioni delle malte da costruzione a secco e rappresentano oltre il 40% del costo del materiale. Una parte considerevole degli additivi sul mercato interno è fornita da produttori esteri e anche il dosaggio di riferimento del prodotto è fornito dal fornitore. Di conseguenza, il costo delle malte a secco rimane elevato ed è difficile diffondere le malte comuni per muratura e intonacatura in grandi quantità e con un'ampia gamma di prodotti. I prodotti di fascia alta sono controllati da aziende straniere e i produttori di malte a secco hanno bassi profitti e una scarsa accessibilità dei prezzi; l'applicazione degli additivi manca di una ricerca sistematica e mirata e segue ciecamente le formule straniere.

L'agente di ritenzione idrica è un additivo fondamentale per migliorare la capacità di ritenzione idrica della malta a secco, ed è anche uno degli additivi chiave per determinarne il costo. La funzione principale dell'etere di cellulosa è la ritenzione idrica.

L'etere di cellulosa è un termine generico per una serie di prodotti ottenuti dalla reazione di cellulosa alcalina e un agente eterificante in determinate condizioni. La cellulosa alcalina viene sostituita da diversi agenti eterificanti per ottenere diversi eteri di cellulosa. In base alle proprietà di ionizzazione dei sostituenti, gli eteri di cellulosa possono essere suddivisi in due categorie: ionici (come la carbossimetilcellulosa) e non ionici (come la metilcellulosa). In base al tipo di sostituente, l'etere di cellulosa può essere suddiviso in monoetere (come la metilcellulosa) ed etere misto (come l'idrossipropilmetilcellulosa). In base alla diversa solubilità, può essere suddiviso in solubilità in acqua (come l'idrossietilcellulosa) e solubilità in solventi organici (come l'etilcellulosa). La malta impastata a secco è principalmente composta da cellulosa idrosolubile, e la cellulosa idrosolubile si divide in tipo istantaneo e tipo a dissoluzione ritardata trattata in superficie.

Il meccanismo d'azione dell'etere di cellulosa nella malta è il seguente:

(1) Dopo laetere di cellulosanella malta è disciolto in acqua, la distribuzione efficace e uniforme del materiale cementizio nel sistema è assicurata grazie all'attività superficiale, e l'etere di cellulosa, come colloide protettivo, "avvolge" le particelle solide e uno strato di pellicola lubrificante si forma sulla sua superficie esterna, che rende il sistema di malta più stabile e migliora anche la fluidità della malta durante il processo di miscelazione e la scorrevolezza della costruzione.

(2) Grazie alla sua struttura molecolare, la soluzione di etere di cellulosa fa sì che l'umidità nella malta non si perda facilmente e la rilascia gradualmente per un lungo periodo di tempo, conferendo alla malta una buona ritenzione idrica e lavorabilità.