Che cos'è l'etere di cellulosa?

etere di cellulosaÈ un composto polimerico con struttura eterea costituito da cellulosa. Ogni anello glucosidico nella macromolecola di cellulosa contiene tre gruppi idrossilici: il gruppo idrossilico primario sul sesto atomo di carbonio, il gruppo idrossilico secondario sul secondo e terzo atomo di carbonio. L'idrogeno nel gruppo idrossilico viene sostituito da un gruppo idrocarburico per generare derivati ​​dell'etere di cellulosa. Si tratta di un prodotto in cui l'idrogeno del gruppo idrossilico nel polimero di cellulosa viene 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, soluzioni alcaline diluite e solventi organici e possiede proprietà termoplastiche.

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 sciolta in acqua, acido diluito, alcali diluiti o solventi organici. 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 sciolta in acqua solo con un certo grado di sostituzione, che 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, più ampio è l'intervallo di solubilità in acqua. Esistono molti tipi di eteri di cellulosa con prestazioni eccellenti, ampiamente utilizzati nell'edilizia, nel cemento, nel petrolio, nell'industria alimentare, tessile, dei detergenti, delle vernici, farmaceutica, cartaria, dei componenti elettronici e in altri settori.

2. Sviluppare:

La Cina è il più grande produttore e consumatore mondiale di etere di cellulosa, 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 cui capacità produttiva complessiva supera le 400.000 tonnellate, e circa 20 di queste hanno una capacità superiore alle 10.000 tonnellate, distribuite principalmente nelle province di Shandong, Hebei, Chongqing, Jiangsu, Zhejiang, Shanghai e altre.

3. Necessità:

Nel 2011, la capacità produttiva cinese di CMC era di circa 300.000 tonnellate. Con la crescente domanda di eteri di cellulosa di alta qualità in settori come quello farmaceutico, alimentare e dei prodotti chimici per uso quotidiano, la domanda interna di altri prodotti a base di etere di cellulosa oltre al 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 di settori come quello dei materiali da costruzione, alimentare, chimico e altri, la quantità e il campo di applicazione del PAC sono in aumento e si stanno espandendo di anno in anno, con una capacità produttiva di oltre 10.000 tonnellate.

4. Classificazione:

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

Metilcellulosa:

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

(1) La metilcellulosa è solubile in acqua fredda e sarà difficile da sciogliere in acqua calda. La sua soluzione acquosa è molto stabile nell'intervallo di pH=3~12. Ha 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 dimensione delle particelle e dalla velocità di dissoluzione. In generale, se la quantità aggiunta è elevata, la finezza è bassa e la viscosità è alta, la velocità di ritenzione idrica è elevata. Tra questi, la quantità aggiunta ha il maggiore impatto sulla velocità di ritenzione idrica, mentre 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 finezza delle particelle. Tra gli eteri di cellulosa sopra menzionati, la metilcellulosa e l'idrossipropilmetilcellulosa hanno velocità di ritenzione idrica più elevate.

(3) Le variazioni di temperatura possono influenzare seriamente la ritenzione idrica della metilcellulosa. In generale, 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 costruzione della malta.

(4)Metilcellulosaha un effetto significativo sulla lavorabilità e sulla coesione della malta. L'"adesività" si riferisce alla forza di adesione percepita tra l'utensile applicatore dell'operaio e il substrato della parete, ovvero la resistenza al taglio della malta. Un'elevata adesività, un'elevata resistenza al taglio della malta, una forza richiesta agli operai durante l'utilizzo e una scarsa resa costruttiva della malta, comportano una maggiore resistenza al taglio. La coesione della metilcellulosa nei prodotti a base di etere di cellulosa è di livello medio.

Idrossipropilmetilcellulosa:

L'idrossipropilmetilcellulosa è una varietà di cellulosa la cui produzione e il cui consumo sono in rapida crescita. 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 eterificanti, 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 e incontrerà difficoltà a sciogliersi in acqua calda. Tuttavia, la sua temperatura di gelificazione in acqua calda è significativamente più alta di quella della metilcellulosa. La solubilità in acqua fredda è inoltre notevolmente migliorata rispetto alla metilcellulosa.

(2) La viscosità dell'idrossipropilmetilcellulosa è correlata al suo peso molecolare, e maggiore è il peso molecolare, maggiore è la viscosità. Anche la temperatura influisce sulla 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 a parità di quantità aggiunta è superiore a quello della metilcellulosa.

(4)IdrossipropilmetilcellulosaÈ stabile agli acidi e alle basi, e la sua soluzione acquosa è molto stabile nell'intervallo di pH compreso tra 2 e 12. La soda caustica e l'acqua di calce hanno scarso effetto sulle sue prestazioni, ma le basi 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 costruzione della malta è superiore a quella della metilcellulosa.

Idrossietilcellulosa:

È prodotto a partire 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-cedimento 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 dell'elevato contenuto di ceneri.

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

Carbossimetilcellulosa:

L'etere di cellulosa ionico viene prodotto a partire da fibre naturali (cotone, ecc.) dopo un trattamento alcalino, utilizzando monocloroacetato di sodio come agente eterificante e sottoponendolo a una serie di reazioni chimiche. Il grado di sostituzione è generalmente compreso tra 0,4 e 1,4, e le sue prestazioni sono fortemente influenzate da tale grado.

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

(2) La soluzione acquosa di carbossimetilcellulosa non produce gel e la viscosità diminuisce con l'aumento 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. Quando è altamente alcalino, perde viscosità.

(4) La sua ritenzione idrica è molto 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 della cellulosa:

Tra i più rappresentativi vi sono la metilcellulosa e l'etilcellulosa. Nella produzione industriale, il cloruro di metile o il cloruro di etile sono generalmente utilizzati come agenti eterificanti, 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, più forte 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 di rigonfiamento della cellulosa si riduce, il che non favorisce la reazione di eterificazione e, di conseguenza, il grado di eterificazione diminuisce. A tale scopo, è possibile aggiungere idrossido di sodio concentrato o solido durante la reazione. Il reattore deve essere dotato di un buon dispositivo di agitazione e miscelazione per garantire una distribuzione uniforme dell'alcali. La metilcellulosa è ampiamente utilizzata come addensante, adesivo e colloide protettivo. Può essere impiegata anche come disperdente per la polimerizzazione in emulsione, come agente legante per semi, in sospensioni tessili, come additivo per alimenti e cosmetici, come adesivo medicale, come materiale di rivestimento per farmaci e in vernici al lattice, inchiostri da stampa, nella produzione di ceramica e miscelata al cemento per controllare il tempo di presa e aumentarne la resistenza iniziale. I prodotti a base di 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. Ha una buona compatibilità con diverse 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 della cellulosa può migliorarne la solubilità, ridurne la sensibilità alla precipitazione salina, aumentarne la temperatura di gelificazione e migliorarne le proprietà di fusione a caldo, ecc. Il grado di variazione delle suddette proprietà dipende dalla natura dei sostituenti e dal rapporto tra gruppi alchilici e idrossialchilici.

Etere idrossialchilico della cellulosa:

Esempi rappresentativi sono l'idrossietilcellulosa e l'idrossipropilcellulosa. Gli agenti eterificanti sono epossidi come l'ossido di etilene e l'ossido di propilene. Come catalizzatori si utilizzano acidi o basi. La produzione industriale consiste nel far reagire la cellulosa alcalina con un agente eterificante.idrossietilcellulosaL'idrossipropilcellulosa con un alto valore di sostituzione è solubile sia in acqua fredda che in acqua calda. L'idrossietilcellulosa con un 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 la stampa e la tintura tessile, materiali per l'apprettatura della carta, adesivi e colloidi protettivi. L'uso dell'idrossipropilcellulosa è simile a quello dell'idrossietilcellulosa. L'idrossipropilcellulosa con un basso valore di sostituzione può essere utilizzata come eccipiente farmaceutico, che può avere sia proprietà leganti che disgreganti.

La carbossimetilcellulosa, abbreviata in inglese CMC, si presenta 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 impiegata principalmente come fluido di perforazione, ma ora il suo impiego si è esteso ad altri settori, tra cui quello dei detergenti, dei detersivi per tessuti, delle vernici al lattice, del rivestimento di cartone e carta, ecc. La carbossimetilcellulosa pura trova applicazione nell'industria alimentare, farmaceutica, cosmetica e come adesivo per ceramiche e stampi.

La cellulosa polianionica (PAC) è un etere di cellulosa ionico e un prodotto di alta qualità che sostituisce la carbossimetilcellulosa (CMC). Si presenta come una polvere o granuli di colore bianco, biancastro o leggermente giallastro, atossici, insapori, facilmente solubili in acqua formando una soluzione trasparente con una certa viscosità, possiede una migliore stabilità termica e resistenza ai sali, e forti proprietà antibatteriche. Non ammuffisce e non si deteriora. È caratterizzata da elevata purezza, alto grado di sostituzione e distribuzione uniforme dei sostituenti. Può essere utilizzata come legante, addensante, modificatore reologico, riduttore di perdite di fluido, stabilizzante di sospensioni, ecc. La cellulosa polianionica (PAC) è ampiamente utilizzata in tutti i settori industriali in cui è possibile applicare la CMC, consentendo di ridurre significativamente il dosaggio, semplificare l'uso, garantire una maggiore stabilità e soddisfare requisiti di processo più elevati.

La cianoetilcellulosa è il prodotto della reazione tra cellulosa e acrilonitrile in presenza di un catalizzatore alcalino.

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

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

I metodi di preparazione dell'etere di cellulosa possono essere suddivisi in metodo in mezzo acquoso, metodo con solvente, metodo di impastamento, metodo in sospensione, metodo gas-solido, metodo in fase liquida e combinazione dei metodi sopra menzionati.

5. Principio di preparazione:

La polpa di cellulosa ad alto contenuto di α-cellulosa viene immersa in una soluzione alcalina per farla gonfiare, in modo da rompere un maggior numero di legami idrogeno, facilitare la diffusione dei reagenti e generare cellulosa alcalina, che poi reagisce con un agente eterificante per ottenere etere di cellulosa. Gli agenti eterificanti includono alogenuri (o solfati) di idrocarburi, epossidi e composti α e β insaturi con accettori di elettroni.

6. Prestazioni di base:

Gli additivi svolgono un ruolo chiave nel migliorare le prestazioni delle malte premiscelate per edilizia e rappresentano oltre il 40% del costo dei materiali. Una parte considerevole degli additivi presenti sul mercato interno è fornita da produttori esteri, i quali forniscono anche il dosaggio di riferimento del prodotto. Di conseguenza, il costo delle malte premiscelate rimane elevato ed è difficile diffondere su larga scala le comuni malte per muratura e intonaco, che hanno una vasta gamma di applicazioni. I prodotti di fascia alta sono controllati da aziende straniere, mentre i produttori di malte premiscelate hanno margini di profitto ridotti e prezzi poco competitivi; l'applicazione degli additivi manca di una ricerca sistematica e mirata, e si limita a seguire ciecamente le formule estere.

L'agente di ritenzione idrica è un additivo fondamentale per migliorare le prestazioni di ritenzione idrica della malta premiscelata ed è anche uno degli additivi chiave che determinano il costo dei materiali per malta premiscelata. La funzione principale dell'etere di cellulosa è la ritenzione idrica.

Il termine "etere di cellulosa" si riferisce genericamente a una serie di prodotti ottenuti dalla reazione tra cellulosa alcalina e un agente eterificante in determinate condizioni. La cellulosa alcalina viene sostituita con 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, gli eteri di cellulosa possono essere suddivisi in monoeteri (come la metilcellulosa) ed eteri misti (come l'idrossipropilmetilcellulosa). In base alla diversa solubilità, possono essere suddivisi in solubili in acqua (come l'idrossietilcellulosa) e solubili in solventi organici (come l'etilcellulosa). La malta premiscelata a secco è composta principalmente da cellulosa idrosolubile, che a sua volta si suddivide in cellulosa a presa rapida e cellulosa a dissoluzione ritardata con trattamento superficiale.

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

(1) Dopo iletere di cellulosaNella malta, la cellulosa si dissolve in acqua, garantendo un'efficace e uniforme distribuzione del materiale cementizio nel sistema grazie all'attività superficiale. L'etere di cellulosa, agendo da colloide protettivo, "avvolge" le particelle solide e forma sulla loro superficie esterna uno strato di pellicola lubrificante, che rende il sistema di malta più stabile e ne migliora la fluidità durante la miscelazione, nonché la scorrevolezza della posa in opera.

(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 rilasci gradualmente per un lungo periodo di tempo, conferendo alla malta una buona ritenzione idrica e lavorabilità.