L'etere di cellulosa è un polimero sintetico ottenuto dalla cellulosa naturale tramite modificazione chimica. L'etere di cellulosa è un derivato della cellulosa naturale; la sua produzione è diversa da quella dei polimeri sintetici, ma il suo materiale di base è la cellulosa, un composto polimerico naturale. A causa della particolare struttura della cellulosa naturale, quest'ultima non è in grado di reagire con l'agente eterificante. Tuttavia, dopo il trattamento con l'agente eterificante, i forti legami idrogeno tra le catene molecolari vengono distrutti, liberando il gruppo ossidrilico reattivo nella cellulosa alcalina e consentendo la reazione dell'agente eterificante che trasforma il gruppo -OH in gruppo -OR.
Le proprietà degli eteri di cellulosa dipendono dal tipo, dal numero e dalla distribuzione dei sostituenti. La classificazione degli eteri di cellulosa si basa anche sul tipo di sostituenti, sul grado di eterificazione, sulla solubilità e sulle relative applicazioni. In base al tipo di sostituenti sulla catena molecolare, si possono distinguere eteri singoli ed eteri misti. La cellulosa microcristallina (MC) è solitamente utilizzata come etere singolo, mentre l'idrossipropilmetilcellulosa (HPmc) è un etere misto. L'etere di metilcellulosa MC è un'unità di glucosio di cellulosa naturale in cui il gruppo idrossilico è sostituito da un metossido, con formula strutturale del prodotto [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X, l'etere di idrossipropilmetilcellulosa HPmc è un'unità in cui una parte del gruppo idrossilico è sostituita da un metossido, un'altra parte da un idrossipropile, con formula strutturale [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] X e l'etere di idrossietilmetilcellulosa HEmc, che è ampiamente utilizzato e venduto sul mercato.
In base alla solubilità, gli eteri di cellulosa possono essere suddivisi in ionici e non ionici. Gli eteri di cellulosa non ionici idrosolubili sono composti principalmente da due serie di varietà: eteri alchilici e idrossialchilici. Il Cmc ionico è utilizzato principalmente nei detergenti sintetici, nel settore tessile, nella stampa, nell'industria alimentare e petrolifera. Gli eteri non ionici MC, HPmc, HEmc e altri sono utilizzati principalmente nei materiali da costruzione, nei rivestimenti in lattice, in medicina, nella chimica di uso quotidiano e in altri settori. Vengono impiegati come agenti addensanti, agenti di ritenzione idrica, stabilizzanti, disperdenti e agenti filmogeni.
Ritenzione idrica dell'etere di cellulosa
Nella produzione di materiali da costruzione, in particolare di malte premiscelate a secco, l'etere di cellulosa svolge un ruolo insostituibile, soprattutto nella produzione di malte speciali (malte modificate), dove rappresenta un componente indispensabile.
L'importante ruolo dell'etere di cellulosa idrosolubile nella malta si articola principalmente in tre aspetti: il primo è l'eccellente capacità di ritenzione idrica, il secondo è l'influenza sulla consistenza e sulla tissotropia della malta, e il terzo è l'interazione con il cemento.
La ritenzione idrica dell'etere di cellulosa dipende da diversi fattori, tra cui l'igroscopicità, la composizione della malta, lo spessore dello strato di malta, il fabbisogno idrico della malta e il tempo di condensazione del materiale. La ritenzione idrica dell'etere di cellulosa deriva dalla sua solubilità e disidratazione. È noto che le catene molecolari di cellulosa, pur contenendo un elevato numero di gruppi OH altamente idratati, sono insolubili in acqua a causa della loro struttura altamente cristallina. La sola capacità di idratazione dei gruppi idrossilici non è sufficiente a compensare i forti legami idrogeno intermolecolari e le forze di van der Waals. Quando vengono introdotti dei sostituenti nella catena molecolare, non solo questi distruggono la catena di idrogeno, ma anche i legami idrogeno intercatena vengono interrotti a causa dell'incastro dei sostituenti tra le catene adiacenti. Maggiore è la dimensione dei sostituenti, maggiore è la distanza tra le molecole. Maggiore è l'effetto di rottura dei legami idrogeno, maggiore è l'espansione del reticolo cristallino della cellulosa, più la soluzione di etere di cellulosa diventa solubile in acqua, con conseguente formazione di una soluzione ad alta viscosità. Con l'aumento della temperatura, l'idratazione del polimero diminuisce e l'acqua presente tra le catene viene espulsa. Quando l'effetto disidratante è sufficiente, le molecole iniziano ad aggregarsi e il gel si dispiega in una rete tridimensionale. I fattori che influenzano la ritenzione idrica della malta includono la viscosità dell'etere di cellulosa, il dosaggio, la finezza delle particelle e la temperatura di esercizio.
Maggiore è la viscosità dell'etere di cellulosa, migliori sono le prestazioni di ritenzione idrica, la viscosità della soluzione polimerica. Il peso molecolare (grado di polimerizzazione) del polimero è determinato anche dalla lunghezza e dalla morfologia della struttura molecolare della catena, e la distribuzione del numero di sostituenti influenza direttamente l'intervallo di viscosità. [eta] = Km alpha
Viscosità intrinseca delle soluzioni polimeriche
Peso molecolare del polimero M
costante caratteristica del polimero α
Coefficiente di viscosità della soluzione K
La viscosità di una soluzione polimerica dipende dal peso molecolare del polimero. La viscosità e la concentrazione delle soluzioni di etere di cellulosa sono correlate a diverse applicazioni. Pertanto, ogni etere di cellulosa presenta diverse specifiche di viscosità, e la regolazione della viscosità avviene principalmente attraverso la degradazione della cellulosa alcalina, ovvero la rottura della catena molecolare della cellulosa.
Per quanto riguarda la granulometria, più le particelle sono fini, migliore è la ritenzione idrica. Le particelle di etere di cellulosa di grandi dimensioni, a contatto con l'acqua, si dissolvono immediatamente in superficie formando un gel che avvolge il materiale, impedendo alle molecole d'acqua di penetrare ulteriormente. A volte, anche agitando a lungo, la dispersione e la dissoluzione non avvengono in modo uniforme, con la formazione di una soluzione torbida e flocculenta o di agglomerati. La solubilità dell'etere di cellulosa è uno dei fattori da considerare nella scelta del prodotto.
Ispessimento e tissotropia dell'etere di cellulosa
Il secondo effetto dell'etere di cellulosa, ovvero l'ispessimento, dipende da: grado di polimerizzazione dell'etere di cellulosa, concentrazione della soluzione, velocità di taglio, temperatura e altre condizioni. La proprietà di gelificazione della soluzione è peculiare dell'alchilcellulosa e dei suoi derivati modificati. Le caratteristiche di gelificazione sono correlate al grado di sostituzione, alla concentrazione della soluzione e agli additivi. Per i derivati modificati con idrossialchile, le proprietà del gel sono anche correlate al grado di modificazione con idrossialchile. Per le soluzioni a bassa viscosità di MC e HPmc si possono preparare soluzioni con concentrazione del 10%-15%, per quelle a media viscosità soluzioni del 5%-10% e per quelle ad alta viscosità soluzioni del 2%-3%; solitamente anche la viscosità dell'etere di cellulosa viene graduata in soluzioni dell'1%-2%. Efficienza dell'addensante a base di etere di cellulosa ad alto peso molecolare, la stessa concentrazione della soluzione, polimeri a diverso peso molecolare hanno viscosità diverse, la viscosità e il peso molecolare possono essere espressi come segue, [η]=2,92×10-2 (DPn) 0,905, DPn è il grado di polimerizzazione medio di alto. Etere di cellulosa a basso peso molecolare da aggiungere per raggiungere la viscosità target. La sua viscosità è meno dipendente dalla velocità di taglio, alta viscosità per raggiungere la viscosità target, la quantità necessaria da aggiungere è minore, la viscosità dipende dall'efficienza di addensamento. Pertanto, per ottenere una certa consistenza, una certa quantità di etere di cellulosa (concentrazione della soluzione) e la viscosità della soluzione devono essere garantite. La temperatura di gelificazione della soluzione diminuiva linearmente con l'aumento della concentrazione della soluzione e la gelificazione avveniva a temperatura ambiente dopo aver raggiunto una certa concentrazione. HPmc ha un'alta concentrazione di gelificazione a temperatura ambiente.
La consistenza può essere regolata anche selezionando la granulometria e gli eteri di cellulosa con diversi gradi di modificazione. La cosiddetta modificazione consiste nell'introduzione di un gruppo idrossialchilico con un certo grado di sostituzione sulla struttura scheletrica della MC. Variando i valori di sostituzione relativi dei due sostituenti, ovvero i valori di sostituzione relativi dei gruppi metossi e idrossile DS e MS, è possibile ottenere diverse proprietà dell'etere di cellulosa.
La relazione tra consistenza e modifica. Nella Figura 5, l'aggiunta di etere di cellulosa influenza il consumo di acqua della malta e modifica il rapporto acqua-legante di acqua e cemento, determinando l'effetto addensante. Maggiore è il dosaggio, maggiore è il consumo di acqua.
Gli eteri di cellulosa utilizzati nei materiali da costruzione in polvere devono dissolversi rapidamente in acqua fredda e conferire al sistema la giusta consistenza. Se, a un dato tasso di taglio, il materiale risulta ancora flocculento e colloidale, si tratta di un prodotto di qualità inferiore o scadente.
Esiste inoltre una buona relazione lineare tra la consistenza della malta cementizia e il dosaggio di etere di cellulosa; l'etere di cellulosa può aumentare notevolmente la viscosità della malta, e maggiore è il dosaggio, più evidente è l'effetto.
Le soluzioni acquose di etere di cellulosa ad alta viscosità presentano un'elevata tissotropia, che è una delle caratteristiche dell'etere di cellulosa. Le soluzioni acquose di polimeri di tipo Mc hanno solitamente una fluidità pseudoplastica e non tissotropica al di sotto della loro temperatura di gelificazione, ma proprietà di flusso newtoniano a basse velocità di taglio. La pseudoplasticità aumenta con l'aumento del peso molecolare o della concentrazione dell'etere di cellulosa ed è indipendente dal tipo e dal grado di sostituente. Pertanto, gli eteri di cellulosa dello stesso grado di viscosità, siano essi MC, HPmc o HEmc, mostrano sempre le stesse proprietà reologiche finché la concentrazione e la temperatura rimangono costanti. Quando la temperatura aumenta, si forma un gel strutturale e si verifica un flusso ad alta tissotropia. Gli eteri di cellulosa ad alta concentrazione e bassa viscosità mostrano tissotropia anche al di sotto della temperatura di gelificazione. Questa proprietà è di grande utilità nella produzione di malte da costruzione per regolarne la fluidità e la capacità di sospensione del flusso. È opportuno precisare che maggiore è la viscosità dell'etere di cellulosa, migliore è la ritenzione idrica, ma maggiore è la viscosità, maggiore è il peso molecolare relativo dell'etere di cellulosa e di conseguenza la sua solubilità si riduce, con un impatto negativo sulla concentrazione della malta e sulle prestazioni costruttive. Maggiore è la viscosità, più evidente è l'effetto addensante della malta, ma non si tratta di una relazione di proporzionalità diretta. Alcuni eteri di cellulosa modificati a bassa viscosità mostrano prestazioni migliori nel migliorare la resistenza strutturale della malta umida; con l'aumento della viscosità, migliora anche la ritenzione idrica dell'etere di cellulosa.
Data di pubblicazione: 30 marzo 2022