Celulozes ēteris ir sintētisks polimērs, kas iegūts no dabiskās celulozes kā izejvielas, izmantojot ķīmisku modifikāciju. Celulozes ēteris ir dabiskās celulozes atvasinājums, celulozes ētera ražošana un sintētiskais polimērs atšķiras ar to, ka tā pamatmateriāls ir celuloze, dabīgie polimēru savienojumi. Dabiskās celulozes struktūras īpatnību dēļ pašai celulozei nav spējas reaģēt ar ēterificējošu aģentu. Taču pēc apstrādes ar uzbriedinātāju spēcīgās ūdeņraža saites starp molekulārajām ķēdēm un ķēdēm tika iznīcinātas, un hidroksilgrupas aktivitāte tika atbrīvota sārmainā celulozē ar reaģētspēju, un celulozes ēteris tika iegūts, ēterificējoša aģenta — OH grupas reakcijā ar — OR grupu.
Celulozes ēteru īpašības ir atkarīgas no aizvietotāju veida, skaita un sadalījuma. Celulozes ēteru klasifikācija balstās arī uz aizvietotāju veidu, ēterifikācijas pakāpi, šķīdību un saistīto pielietojumu. Atkarībā no aizvietotāju veida molekulārajā ķēdē tos var iedalīt atsevišķos ēteros un jauktos ēteros. MC parasti izmanto kā atsevišķo ēteri, bet HPmc ir jaukts ēteris. Metilcelulozes ēteris MC ir dabiska celulozes glikozes vienība hidroksilgrupā, kas aizstāta ar metoksīdu, un produkta struktūrformula ir [CO₂O₂(OH)₃₅H(OCH₃)₅H]X. Hidroksipropilmetilcelulozes ēteris HPmc ir vienība hidroksilgrupā, kas aizstāta ar metoksīdu, un cita hidroksipropila produkta daļa. Struktūrformula ir [C₆H₆O₂(OH)₃₅M₄(OCH₃)₅M₆[OCH₂CH(OH)₅H]₅N]X. Hidroksietilmetilcelulozes ēteris HEmc tiek plaši izmantots un pārdots tirgū.
Pēc šķīdības to var iedalīt jonu un nejonu tipā. Ūdenī šķīstošais nejonu celulozes ēteris galvenokārt sastāv no alkilētera un hidroksilalkilētera, kas ir divu veidu. Joniskais CMC galvenokārt tiek izmantots sintētiskajos mazgāšanas līdzekļos, tekstilizstrādājumos, poligrāfijā, pārtikas un naftas ieguvē. Nejonu MC, HPmc, HEmc un citus galvenokārt izmanto būvmateriālos, lateksa pārklājumos, medicīnā, ikdienas ķīmijā un citur. Kā biezinātājs, ūdens aiztures līdzeklis, stabilizators, disperģētājs, plēvi veidojošs līdzeklis.
Celulozes ētera ūdens aizture
Būvmateriālu, īpaši sausās javas, ražošanā celulozes ēteris spēlē neaizstājamu lomu, īpaši speciālas javas (modificētas javas) ražošanā, ir neaizstājama sastāvdaļa.
Ūdenī šķīstošā celulozes ētera svarīgā loma javā galvenokārt ir saistīta ar trim aspektiem: viena ir lieliska ūdens saglabāšanas spēja, otra ir javas konsistences un tiksotropijas ietekme, un trešā ir mijiedarbība ar cementu.
Celulozes ētera ūdens aizture ir atkarīga no hidroskopiskuma, javas sastāva, javas slāņa biezuma, javas ūdens nepieciešamības un kondensācijas materiāla kondensācijas laika. Celulozes ētera ūdens aizture rodas no paša celulozes ētera šķīdības un dehidratācijas. Ir labi zināms, ka celulozes molekulu ķēdes, lai gan tās satur lielu skaitu ļoti hidratētu OH grupu, nešķīst ūdenī to ļoti kristāliskās struktūras dēļ. Hidroksīlgrupu hidratācijas spēja vien nav pietiekama, lai kompensētu spēcīgās starpmolekulārās ūdeņraža saites un van der Valsa spēkus. Kad molekulārajā ķēdē tiek ievadīti aizvietotāji, ne tikai aizvietotāji iznīcina ūdeņraža ķēdi, bet arī starpķēžu ūdeņraža saites tiek pārrautas, jo aizvietotāji iesprūst starp blakus esošajām ķēdēm. Jo lielāki ir aizvietotāji, jo lielāks ir attālums starp molekulām. Jo lielāks ir ūdeņraža saišu iznīcināšanas efekts, celulozes režģa paplašināšanās, šķīdums celulozes ēterī kļūst ūdenī šķīstošs, veidojot augstas viskozitātes šķīdumu. Paaugstinoties temperatūrai, polimēra hidratācija samazinās un ūdens starp ķēdēm tiek izspiests. Kad dehidratācijas efekts ir pietiekams, molekulas sāk agregēties un gēls salocās trīsdimensiju tīklā. Javas ūdens aizturi ietekmējošie faktori ir celulozes ētera viskozitāte, deva, daļiņu smalkums un darba temperatūra.
Jo lielāka ir celulozes ētera viskozitāte, jo labāka ir ūdens saglabāšanas spēja, jo lielāka ir polimēra šķīduma viskozitāte. Polimēra molekulmasu (polimerizācijas pakāpi) nosaka arī ķēdes molekulārās struktūras garums un morfoloģija, un aizvietotāju skaita sadalījums tieši ietekmē viskozitātes diapazonu. [eta] = Km alfa
Polimēru šķīdumu raksturīgā viskozitāte
M polimēra molekulmasa
α polimēra raksturīgā konstante
K viskozitātes šķīduma koeficients
Polimēra šķīduma viskozitāte ir atkarīga no polimēra molekulmasas. Celulozes ētera šķīduma viskozitāte un koncentrācija ir saistīta ar dažādiem pielietojumiem. Tāpēc katram celulozes ēterim ir daudz dažādu viskozitātes specifikāciju, un viskozitātes regulēšana galvenokārt notiek, noārdot sārmu celulozi, proti, pārraujot celulozes molekulāro ķēdi.
Runājot par daļiņu izmēru, jo smalkāka ir daļiņa, jo labāka ir ūdens saglabāšana. Lielas celulozes ētera daļiņas, nonākot saskarē ar ūdeni, nekavējoties izšķīst uz virsmas un veido želeju, kas aptver materiālu, novēršot ūdens molekulu tālāku iekļūšanu. Dažreiz ilgstošas maisīšanas laikā izšķīdušo vielu nevar vienmērīgi izkliedēt, veidojot duļķainu flokulentu šķīdumu vai aglomerātu. Celulozes ētera šķīdība ir viens no faktoriem, kas nosaka celulozes ētera izvēli.
Celulozes ētera sabiezināšana un tiksotropija
Otrais celulozes ētera efekts – sabiezināšana – ir atkarīgs no: celulozes ētera polimerizācijas pakāpes, šķīduma koncentrācijas, bīdes ātruma, temperatūras un citiem apstākļiem. Šķīduma želejveida veidošanās īpašība ir unikāla alkilcelulozei un tās modificētajiem atvasinājumiem. Gelveida veidošanās īpašības ir saistītas ar aizvietošanas pakāpi, šķīduma koncentrāciju un piedevām. Hidroksilalkilmodificētu atvasinājumu želejveida īpašības ir saistītas arī ar hidroksilalkilmodifikācijas pakāpi. Zemas viskozitātes MC un HPmc šķīduma koncentrācijai var pagatavot 10–15 % koncentrācijas šķīdumu, vidējas viskozitātes MC un HPmc var pagatavot 5–10 % šķīdumā, bet augstas viskozitātes MC un HPmc var pagatavot tikai 2–3 % šķīdumā, un parasti celulozes ētera viskozitāte tiek gradēta arī pa 1–2 % šķīdumam. Augstas molekulmasas celulozes ētera sabiezinātāja efektivitāte, vienādai šķīduma koncentrācijai, dažādu molekulmasu polimēriem ir atšķirīga viskozitāte, viskozitāti un molekulmasu var izteikt šādi: [η] = 2,92 × 10–2 (DPn) 0,905, DPn ir augstas polimerizācijas pakāpe. Zemas molekulmasas celulozes ēterim jāpievieno vairāk, lai sasniegtu mērķa viskozitāti. Tā viskozitāte ir mazāk atkarīga no bīdes ātruma, augsta viskozitāte ļauj sasniegt mērķa viskozitāti, nepieciešams pievienot mazāku daudzumu, viskozitāte ir atkarīga no sabiezināšanas efektivitātes. Tādēļ, lai sasniegtu noteiktu konsistenci, ir jānodrošina noteikts celulozes ētera daudzums (šķīduma koncentrācija) un šķīduma viskozitāte. Šķīduma želejveida veidošanās temperatūra lineāri samazinājās, palielinoties šķīduma koncentrācijai, un želejveida veidošanās notika istabas temperatūrā pēc noteiktas koncentrācijas sasniegšanas. HPmc ir augsta želejveida veidošanās koncentrācija istabas temperatūrā.
Konsistenci var regulēt arī, izvēloties daļiņu izmēru un celulozes ēterus ar dažādām modifikācijas pakāpēm. Tā sauktā modifikācija ir hidroksilalkilgrupas ievadīšana noteiktā aizvietošanas pakāpē MC skeleta struktūrā. Mainot abu aizvietotāju relatīvās aizvietošanas vērtības, t. i., metoksigrupu un hidroksilgrupu DS un MS relatīvās aizvietošanas vērtības. Mainot divu veidu aizvietotāju relatīvās aizvietošanas vērtības, tiek iegūtas dažādas celulozes ētera īpašības.
Konsistences un modifikācijas savstarpējā saistība. 5. attēlā celulozes ētera pievienošana ietekmē javas ūdens patēriņu un maina ūdens un cementa ūdens un saistvielas attiecību, kas ir sabiezināšanas efekts. Jo lielāka deva, jo lielāks ūdens patēriņš.
Pulverveida būvmateriālos izmantotajiem celulozes ēteriem ir ātri jāizšķīst aukstā ūdenī un jānodrošina sistēmai pareiza konsistence. Ja dotais bīdes ātrums joprojām ir flokulants un koloīds, tas ir zemas kvalitātes produkts.
Pastāv arī laba lineāra sakarība starp cementa javas konsistenci un celulozes ētera devu, celulozes ēteris var ievērojami palielināt javas viskozitāti, jo lielāka deva, jo acīmredzamāka ir ietekme.
Celulozes ētera ūdens šķīdumam ar augstu viskozitāti ir augsta tiksotropija, kas ir viena no celulozes ētera īpašībām. Mc tipa polimēru ūdens šķīdumiem parasti ir pseidoplastiska, netiksotropiska plūstamība zem to gēla temperatūras, bet Ņūtona plūsmas īpašības pie zema bīdes ātruma. Pseidoplastiskums palielinās, palielinoties celulozes ētera molekulmasai vai koncentrācijai, un tas nav atkarīgs no aizvietotāja veida un pakāpes. Tādēļ vienas viskozitātes pakāpes celulozes ēteri, neatkarīgi no tā, vai tie ir MC, HPmc vai HEmc, vienmēr uzrāda vienādas reoloģiskās īpašības, ja vien koncentrācija un temperatūra paliek nemainīga. Kad temperatūra paaugstinās, veidojas strukturāls gēls un notiek augsta tiksotropiska plūsma. Celulozes ēteri ar augstu koncentrāciju un zemu viskozitāti uzrāda tiksotropiju pat zem gēla temperatūras. Šī īpašība ir ļoti noderīga būvjavas konstrukcijā, lai pielāgotu tās plūsmu un plūsmas noturēšanas īpašības. Šeit jāpaskaidro, ka jo augstāka ir celulozes ētera viskozitāte, jo labāka ir ūdens aizture, bet jo augstāka ir viskozitāte, jo lielāka ir celulozes ētera relatīvā molekulmasa, attiecīgi samazinoties tā šķīdībai, kas negatīvi ietekmē javas koncentrāciju un konstrukcijas veiktspēju. Jo augstāka ir viskozitāte, jo izteiktāka ir javas sabiezināšanas iedarbība, taču tā nav pilnībā proporcionāla attiecība. Viskozitāte ir nedaudz zema, taču modificēts celulozes ēteris mitras javas strukturālās izturības uzlabošanai uzrāda izcilas īpašības, palielinoties viskozitātei, uzlabojas celulozes ētera ūdens saglabāšana.
Publicēšanas laiks: 2022. gada 30. marts