Wat is cellulose-ether?

Cellulose-etherCellulose is een polymeerverbinding met een etherstructuur, gemaakt van cellulose. Elke glucosylring in het cellulosemacromolecuul bevat drie hydroxylgroepen: de primaire hydroxylgroep op het zesde koolstofatoom, de secundaire hydroxylgroepen op het tweede en derde koolstofatoom, en de waterstof in de hydroxylgroep wordt vervangen door een koolwaterstofgroep om cellulose-etherderivaten te vormen. Het is een product waarbij de waterstof van de hydroxylgroep in het cellulosepolymeer is vervangen door een koolwaterstofgroep. Cellulose is een polyhydroxypolymeerverbinding die niet oplost en niet smelt. Na etherificatie is cellulose oplosbaar in water, verdunde alkalische oplossingen en organische oplosmiddelen, en heeft het thermoplastische eigenschappen.

Cellulose is een polyhydroxypolymeerverbinding die noch oplost noch smelt. Na verethering is cellulose oplosbaar in water, verdunde alkalische oplossingen en organische oplosmiddelen, en heeft het thermoplastische eigenschappen.

1. Aard:

De oplosbaarheid van cellulose na verethering verandert aanzienlijk. Het kan worden opgelost in water, verdund zuur, verdunde alkali of organische oplosmiddelen. De oplosbaarheid hangt hoofdzakelijk af van drie factoren: (1) De eigenschappen van de groepen die tijdens het veretheringsproces worden geïntroduceerd: hoe groter de geïntroduceerde groep, hoe lager de oplosbaarheid, en hoe sterker de polariteit van de geïntroduceerde groep, hoe gemakkelijker de cellulose-ether in water oplost; (2) De substitutiegraad en de verdeling van de veretherde groepen in het macromolecuul. De meeste cellulose-ethers kunnen slechts onder een bepaalde substitutiegraad in water worden opgelost, waarbij de substitutiegraad tussen 0 en 3 ligt; (3) De polymerisatiegraad van de cellulose-ether: hoe hoger de polymerisatiegraad, hoe minder oplosbaar; hoe lager de substitutiegraad, hoe breder het oplosbaarheidsbereik in water. Er bestaan ​​veel soorten cellulose-ethers met uitstekende eigenschappen, die op grote schaal worden gebruikt in de bouw, cementindustrie, aardolie-industrie, voedingsmiddelenindustrie, textielindustrie, wasmiddelenindustrie, verfindustrie, farmaceutische industrie, papierindustrie en de elektronica-industrie, naast andere sectoren.

2. Ontwikkelen:

China is 's werelds grootste producent en consument van cellulose-ether, met een gemiddelde jaarlijkse groei van meer dan 20%. Volgens voorlopige statistieken zijn er ongeveer 50 bedrijven in China die cellulose-ether produceren. De ontwerpcapaciteit van de cellulose-etherindustrie bedraagt ​​meer dan 400.000 ton, en er zijn ongeveer 20 bedrijven met een capaciteit van meer dan 10.000 ton, voornamelijk gevestigd in Shandong, Hebei, Chongqing, Jiangsu, Zhejiang, Shanghai en andere regio's.

3. Behoefte:

In 2011 bedroeg de Chinese productiecapaciteit van CMC ongeveer 300.000 ton. Door de groeiende vraag naar hoogwaardige cellulose-ethers in sectoren zoals de geneeskunde, voedingsmiddelenindustrie en de chemische industrie, neemt de binnenlandse vraag naar andere cellulose-etherproducten dan CMC toe. De productiecapaciteit van MC/HPMC bedraagt ​​ongeveer 120.000 ton en die van HEC ongeveer 20.000 ton. PAC bevindt zich in China nog in de fase van promotie en toepassing. Met de ontwikkeling van grote offshore olievelden en de groei van de bouwmaterialen-, voedingsmiddelen-, chemische en andere industrieën, neemt de hoeveelheid en het toepassingsgebied van PAC jaar na jaar toe en breidt deze zich uit, met een productiecapaciteit van meer dan 10.000 ton.

4. Classificatie:

Op basis van de chemische structuurclassificatie van substituenten kunnen ethers worden onderverdeeld in anionische, kationische en niet-ionische ethers. Afhankelijk van het gebruikte etherificatiemiddel zijn er methylcellulose, hydroxyethylmethylcellulose, carboxymethylcellulose, ethylcellulose, benzylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, cyanoethylcellulose, benzylcyanoethylcellulose, carboxymethylhydroxyethylcellulose en fenylcellulose, enzovoort. Methylcellulose en ethylcellulose zijn praktischer in gebruik.

Methylcellulose:

Nadat het geraffineerde katoen met alkali is behandeld, wordt cellulose-ether geproduceerd door een reeks reacties met methaanchloride als veretheringsmiddel. Over het algemeen ligt de substitutiegraad tussen 1,6 en 2,0, en de oplosbaarheid verschilt ook afhankelijk van de substitutiegraad. Het behoort tot de niet-ionische cellulose-ethers.

(1) Methylcellulose is oplosbaar in koud water en lost moeilijk op in heet water. De waterige oplossing is zeer stabiel in het pH-bereik van 3 tot 12. Het is goed verenigbaar met zetmeel, guargom, enz. en veel oppervlakteactieve stoffen. Gelering treedt op wanneer de temperatuur de geleertemperatuur bereikt.

(2) Het waterretentievermogen van methylcellulose hangt af van de toegevoegde hoeveelheid, de viscositeit, de deeltjesgrootte en de oplossnelheid. Over het algemeen geldt dat een grote toegevoegde hoeveelheid, een kleine fijnheid en een hoge viscositeit leiden tot een hoog waterretentievermogen. De toegevoegde hoeveelheid heeft de grootste invloed op het waterretentievermogen, terwijl de viscositeit niet rechtstreeks evenredig is met het waterretentievermogen. De oplossnelheid hangt voornamelijk af van de mate van oppervlaktemodificatie van de cellulosedeeltjes en de fijnheid van de deeltjes. Van de bovengenoemde cellulose-ethers hebben methylcellulose en hydroxypropylmethylcellulose een hoger waterretentievermogen.

(3) Temperatuurschommelingen kunnen de waterretentie van methylcellulose ernstig beïnvloeden. Over het algemeen geldt: hoe hoger de temperatuur, hoe slechter de waterretentie. Als de temperatuur van de mortel boven de 40 °C komt, zal de waterretentie van methylcellulose aanzienlijk afnemen, wat de verwerking van de mortel ernstig zal beïnvloeden.

(4)MethylcelluloseDit heeft een significant effect op de verwerkbaarheid en cohesie van mortel. De term "hechting" verwijst hier naar de hechtkracht die wordt ervaren tussen het gereedschap van de gebruiker en de muurondergrond, oftewel de schuifweerstand van de mortel. Een hoge hechting betekent een grote schuifweerstand van de mortel, een hoge benodigde kracht voor de gebruiker tijdens het aanbrengen en slechte bouwprestaties. De cohesie van methylcellulose is gemiddeld in vergelijking met andere cellulose-etherproducten.

Hydroxypropylmethylcellulose:

Hydroxypropylmethylcellulose is een cellulosevariant waarvan de productie en het verbruik snel toenemen. Het is een niet-ionische cellulose-mengether die wordt gemaakt van geraffineerd katoen na alkalisering, met behulp van propyleenoxide en methylchloride als veretheringsmiddel, via een reeks reacties. De substitutiegraad ligt over het algemeen tussen 1,2 en 2,0. De eigenschappen variëren afhankelijk van de verhouding tussen het methoxylgehalte en het hydroxypropylgehalte.

(1) Hydroxypropylmethylcellulose is gemakkelijk oplosbaar in koud water en lost moeilijk op in heet water. De geleertemperatuur in heet water is echter aanzienlijk hoger dan die van methylcellulose. De oplosbaarheid in koud water is ook veel beter dan die van methylcellulose.

(2) De viscositeit van hydroxypropylmethylcellulose is gerelateerd aan het molecuulgewicht, en hoe groter het molecuulgewicht, hoe hoger de viscositeit. Temperatuur heeft ook invloed op de viscositeit; naarmate de temperatuur stijgt, neemt de viscositeit af. De invloed van de hoge viscositeit en de temperatuur is echter minder groot dan die van methylcellulose. De oplossing is stabiel bij opslag op kamertemperatuur.

(3) Het waterretentievermogen van hydroxypropylmethylcellulose hangt af van de toegevoegde hoeveelheid, de viscositeit, enz., en de waterretentiesnelheid bij dezelfde toegevoegde hoeveelheid is hoger dan die van methylcellulose.

(4)HydroxypropylmethylcelluloseHet is stabiel in zuren en basen, en de waterige oplossing is zeer stabiel in het pH-bereik van 2 tot 12. Natriumhydroxide en kalkwater hebben weinig invloed op de eigenschappen, maar alkali kan de oplossnelheid versnellen en de viscositeit enigszins verhogen. Hydroxypropylmethylcellulose is stabiel in gewone zouten, maar bij een hoge zoutconcentratie neemt de viscositeit van de hydroxypropylmethylcellulose-oplossing toe.

(5) Hydroxypropylmethylcellulose kan worden gemengd met wateroplosbare polymeerverbindingen om een ​​uniforme oplossing met een hogere viscositeit te vormen. Zoals polyvinylalcohol, zetmeelether, plantaardige gom, enz.

(6) Hydroxypropylmethylcellulose heeft een betere enzymresistentie dan methylcellulose, en de oplossing ervan wordt minder snel door enzymen afgebroken dan methylcellulose.

(7) De hechting van hydroxypropylmethylcellulose aan mortelconstructies is hoger dan die van methylcellulose.

Hydroxyethylcellulose:

Het wordt gemaakt van geraffineerd katoen dat met alkali is behandeld en vervolgens met ethyleenoxide als veretheringsmiddel is gereageerd in aanwezigheid van isopropanol. De substitutiegraad ligt doorgaans tussen de 1,5 en 2,0. Het heeft een sterke hydrofiliteit en neemt gemakkelijk vocht op.

(1) Hydroxyethylcellulose is oplosbaar in koud water, maar moeilijk oplosbaar in heet water. De oplossing ervan is stabiel bij hoge temperaturen zonder te geleren. Het kan langdurig bij hoge temperaturen in mortel worden gebruikt, maar het waterbindend vermogen is lager dan dat van methylcellulose.

(2) Hydroxyethylcellulose is stabiel ten opzichte van algemene zuren en basen, en basen kunnen de oplossing ervan versnellen en de viscositeit ervan enigszins verhogen. De dispergeerbaarheid in water is iets slechter dan die van methylcellulose en hydroxypropylmethylcellulose.

(3) Hydroxyethylcellulose heeft goede anti-doorzakeigenschappen voor mortel, maar heeft een langere vertragingstijd voor cement.

(4) De prestaties van hydroxyethylcellulose geproduceerd door sommige binnenlandse bedrijven zijn duidelijk lager dan die van methylcellulose vanwege het hoge watergehalte en het hoge asgehalte.

(5) De schimmelvorming van de waterige oplossing van hydroxyethylcellulose is relatief ernstig. Bij een temperatuur van ongeveer 40 °C kan binnen 3 tot 5 dagen schimmelvorming optreden, wat de prestaties ervan zal beïnvloeden.

Carboxymethylcellulose:

Ionische cellulose-ether wordt gemaakt van natuurlijke vezels (katoen, enz.) na alkalische behandeling, met natriummonochlooracetaat als veretheringsmiddel, en ondergaat een reeks reactiebehandelingen. De substitutiegraad ligt over het algemeen tussen 0,4 en 1,4, en de prestaties worden sterk beïnvloed door de substitutiegraad.

(1) Carboxymethylcellulose is meer hygroscopisch en zal meer water bevatten wanneer het onder normale omstandigheden wordt bewaard.

(2) Een waterige oplossing van carboxymethylcellulose vormt geen gel en de viscositeit neemt af met de temperatuur. Wanneer de temperatuur boven de 50 °C komt, is de viscositeit onomkeerbaar.

(3) De stabiliteit ervan wordt sterk beïnvloed door de pH-waarde. Over het algemeen kan het worden gebruikt in mortel op gipsbasis, maar niet in mortel op cementbasis. Bij een sterk alkalische pH-waarde verliest het zijn viscositeit.

(4) Het waterretentievermogen is veel lager dan dat van methylcellulose. Het heeft een vertragend effect op gipsmortel en vermindert de sterkte ervan. De prijs van carboxymethylcellulose is echter aanzienlijk lager dan die van methylcellulose.

Cellulosealkylether:

Representatieve voorbeelden zijn methylcellulose en ethylcellulose. In de industriële productie wordt doorgaans methylchloride of ethylchloride als veretheringsmiddel gebruikt, en de reactie is als volgt:

In de formule staat R voor CH3 of C2H5. De alkaliconcentratie beïnvloedt niet alleen de mate van verethering, maar ook het verbruik van alkylhalogeniden. Hoe lager de alkaliconcentratie, hoe sterker de hydrolyse van het alkylhalogenide. Om het verbruik van veretheringsmiddel te verminderen, moet de alkaliconcentratie worden verhoogd. Wanneer de alkaliconcentratie echter te hoog is, neemt het zwel-effect van cellulose af, wat de veretheringsreactie niet bevordert en de mate van verethering dus verlaagt. Om dit te voorkomen, kan tijdens de reactie geconcentreerde loog of vaste loog worden toegevoegd. De reactor moet voorzien zijn van een goede roer- en scheurinrichting, zodat de alkali gelijkmatig verdeeld kan worden. Methylcellulose wordt veel gebruikt als verdikkingsmiddel, kleefmiddel en beschermend colloïde, enz. Het kan ook worden gebruikt als dispergeermiddel voor emulsiepolymerisatie, als bindmiddel voor zaden, in textielslurry, als additief voor voedingsmiddelen en cosmetica, als medisch kleefmiddel, als coatingmateriaal voor geneesmiddelen, en wordt gebruikt in latexverf, drukinkt, keramiekproductie en gemengd met cement om de uithardingstijd te reguleren en de beginsterkte te verhogen, enz. Producten op basis van ethylcellulose hebben een hoge mechanische sterkte, flexibiliteit, hittebestendigheid en koudebestendigheid. Laaggesubstitueerde ethylcellulose is oplosbaar in water en verdunde alkalische oplossingen, terwijl hooggesubstitueerde producten oplosbaar zijn in de meeste organische oplosmiddelen. Het heeft een goede compatibiliteit met diverse harsen en weekmakers. Het kan worden gebruikt voor de productie van kunststoffen, films, vernissen, lijmen, latex en coatingmaterialen voor geneesmiddelen, enz. De introductie van hydroxyalkylgroepen in cellulosealkylethers kan de oplosbaarheid verbeteren, de gevoeligheid voor uitzouten verminderen, de geleertemperatuur verhogen en de smelteigenschappen verbeteren, enz. De mate van verandering in de bovengenoemde eigenschappen varieert met de aard van de substituenten en de verhouding tussen alkyl- en hydroxyalkylgroepen.

Cellulosehydroxyalkylether:

Voorbeelden hiervan zijn hydroxyethylcellulose en hydroxypropylcellulose. Etherificatiemiddelen zijn epoxiden zoals ethyleenoxide en propyleenoxide. Gebruik zuur of base als katalysator. Industriële productie vindt plaats door alkalische cellulose te laten reageren met een etherificatiemiddel.hydroxyethylcelluloseHydroxypropylcellulose met een hoge substitutiewaarde is oplosbaar in zowel koud als warm water. Hydroxypropylcellulose met een hoge substitutiewaarde is alleen oplosbaar in koud water, maar niet in warm water. Hydroxyethylcellulose kan worden gebruikt als verdikkingsmiddel voor latexcoatings, textieldruk- en verfpasta's, papierlijm, kleefstoffen en beschermende colloïden. Het gebruik van hydroxypropylcellulose is vergelijkbaar met dat van hydroxyethylcellulose. Hydroxypropylcellulose met een lage substitutiewaarde kan worden gebruikt als farmaceutisch hulpstof, die zowel bindende als desintegrerende eigenschappen kan hebben.

Carboxymethylcellulose, afgekort als CMC, bestaat doorgaans in de vorm van een natriumzout. Het veretheringsmiddel is monochloorazijnzuur en de reactie verloopt als volgt:

Carboxymethylcellulose is de meest gebruikte wateroplosbare cellulose-ether. Vroeger werd het voornamelijk gebruikt als boorvloeistof, maar tegenwoordig wordt het ook gebruikt als additief in wasmiddelen, wasverzachter, latexverf, coatings voor karton en papier, enzovoort. Zuivere carboxymethylcellulose kan worden gebruikt in voedingsmiddelen, geneesmiddelen, cosmetica en ook als kleefmiddel voor keramiek en mallen.

Polyanionische cellulose (PAC) is een ionische cellulose-ether en een hoogwaardig alternatief voor carboxymethylcellulose (CMC). Het is een wit, gebroken wit of lichtgeel poeder of granulaat, niet-giftig, smaakloos, gemakkelijk oplosbaar in water tot een transparante oplossing met een bepaalde viscositeit, heeft een betere hittebestendigheid en zoutbestendigheid, en sterke antibacteriële eigenschappen. Het is bestand tegen schimmelvorming en bederf. Het kenmerkt zich door een hoge zuiverheid, een hoge substitutiegraad en een uniforme verdeling van de substituenten. Het kan worden gebruikt als bindmiddel, verdikkingsmiddel, reologiemodificator, vloeistofverliesremmer, suspensiestabilisator, enzovoort. Polyanionische cellulose (PAC) wordt veelvuldig gebruikt in alle industrieën waar CMC wordt toegepast, omdat het de benodigde dosering aanzienlijk kan verlagen, het gebruik kan vereenvoudigen, een betere stabiliteit biedt en aan hogere proceseisen kan voldoen.

Cyanoethylcellulose is het reactieproduct van cellulose en acrylonitril onder katalyse van alkali.

Cyanoethylcellulose heeft een hoge diëlektrische constante en een lage verliescoëfficiënt en kan worden gebruikt als harsmatrix voor fosfor- en elektroluminescentielampen. Laaggesubstitueerde cyanoethylcellulose kan worden gebruikt als isolatiepapier voor transformatoren.

Hogere vetalcoholethers, alkenylethers en aromatische alcoholethers van cellulose zijn bereid, maar zijn in de praktijk niet gebruikt.

De bereidingsmethoden van cellulose-ether kunnen worden onderverdeeld in de methode met water als medium, de oplosmiddelmethode, de kneedmethode, de slurrymethode, de gas-vaste stofmethode, de vloeistoffasemethode en een combinatie van deze methoden.

5. Voorbereidingsprincipe:

De pulp met een hoog α-cellulosegehalte wordt geweekt in een alkalische oplossing om deze te laten zwellen, waardoor meer waterstofbruggen worden verbroken, de diffusie van reagentia wordt vergemakkelijkt en alkalicellulose ontstaat. Vervolgens reageert deze alkalicellulose met een etherificatiemiddel om cellulose-ether te verkrijgen. Etherificatiemiddelen omvatten koolwaterstofhalogeniden (of sulfaten), epoxiden en α- en β-onverzadigde verbindingen met elektronenacceptoren.

6. Basisprestaties:

Toevoegingen spelen een cruciale rol bij het verbeteren van de prestaties van droogmortel en vertegenwoordigen meer dan 40% van de materiaalkosten. Een aanzienlijk deel van de toevoegingen op de binnenlandse markt wordt geleverd door buitenlandse fabrikanten, waarbij de referentiedosering eveneens door de leverancier wordt verstrekt. Hierdoor blijven de kosten van droogmortelproducten hoog en is het moeilijk om gangbare metsel- en pleistermortels op grote schaal en in een breed scala aan toepassingen te verspreiden. Producten in het hogere segment worden gedomineerd door buitenlandse bedrijven, waardoor fabrikanten van droogmortel lage winstmarges en een beperkte prijs-kwaliteitverhouding hebben. Bovendien ontbreekt systematisch en gericht onderzoek naar de toepassing van toevoegingen, en worden buitenlandse formules blindelings overgenomen.

Een waterbindend middel is een essentieel additief om de waterretentiecapaciteit van drooggemengde mortel te verbeteren, en het is tevens een van de belangrijkste factoren die de kosten van drooggemengde mortelmaterialen bepalen. De belangrijkste functie van cellulose-ether is waterretentie.

Cellulose-ether is een algemene term voor een reeks producten die ontstaan ​​door de reactie van alkalicellulose met een etherificatiemiddel onder bepaalde omstandigheden. Alkalicellulose wordt vervangen door verschillende etherificatiemiddelen om verschillende cellulose-ethers te verkrijgen. Afhankelijk van de ionisatie-eigenschappen van de substituenten kunnen cellulose-ethers worden onderverdeeld in twee categorieën: ionisch (zoals carboxymethylcellulose) en niet-ionisch (zoals methylcellulose). Afhankelijk van het type substituent kan cellulose-ether worden onderverdeeld in mono-ether (zoals methylcellulose) en gemengde ether (zoals hydroxypropylmethylcellulose). Afhankelijk van de oplosbaarheid kan er onderscheid worden gemaakt tussen wateroplosbaar (zoals hydroxyethylcellulose) en oplosbaar in organische oplosmiddelen (zoals ethylcellulose). Droogmortel bestaat voornamelijk uit wateroplosbare cellulose, die wordt onderverdeeld in een snel oplossende en een oppervlaktebehandelde, vertraagd oplossende variant.

Het werkingsmechanisme van cellulose-ether in mortel is als volgt:

(1) Na decellulose-etherDoordat de mortel in water wordt opgelost, wordt de effectieve en gelijkmatige verdeling van het cementmateriaal in het systeem gewaarborgd door de oppervlakteactiviteit. De cellulose-ether fungeert als beschermend colloïde en "omhult" de vaste deeltjes, waardoor een smerende filmlaag op het buitenoppervlak ontstaat. Dit maakt het mortelsysteem stabieler en verbetert tevens de vloeibaarheid van de mortel tijdens het mengen en de gladheid van de constructie.

(2) Door zijn eigen moleculaire structuur zorgt de cellulose-etheroplossing ervoor dat het vocht in de mortel niet gemakkelijk verloren gaat en geleidelijk over een lange periode wordt afgegeven, waardoor de mortel een goed waterretentievermogen en goede verwerkbaarheid krijgt.