Cellulose-ether is een synthetisch polymeer dat wordt gemaakt van natuurlijke cellulose als grondstof door chemische modificatie. Cellulose-ether is een derivaat van natuurlijke cellulose. De productie van cellulose-ether verschilt van die van synthetische polymeren, omdat het meest basale materiaal cellulose is, een natuurlijke polymeerverbinding. Vanwege de specifieke structuur van natuurlijke cellulose heeft cellulose zelf geen vermogen om te reageren met een etherificatiemiddel. Na behandeling met een zwelmiddel worden de sterke waterstofbruggen tussen de moleculaire ketens echter verbroken en komt de hydroxylgroep vrij, waardoor de alkalische cellulose reactief wordt. Door de reactie van het etherificatiemiddel wordt de -OH-groep omgezet in een -OR-groep.
De eigenschappen van cellulose-ethers zijn afhankelijk van het type, het aantal en de verdeling van de substituenten. De classificatie van cellulose-ethers is gebaseerd op het type substituenten, de mate van verethering, de oplosbaarheid en de toepassingen. Afhankelijk van het type substituenten op de moleculaire keten kan onderscheid worden gemaakt tussen enkelvoudige en gemengde ethers. MC wordt meestal gebruikt als enkelvoudige ether, terwijl HPmc een gemengde ether is. Methylcellulose-ether (MC) is een product met een natuurlijke cellulose-glucose-eenheid waarbij de hydroxylgroep is vervangen door een methoxidegroep. De structuurformule is [C6H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X. Hydroxypropylmethylcellulose-ether (HPmc) is een product waarbij een deel van de hydroxylgroep is vervangen door een methoxidegroep en een ander deel door een hydroxypropylgroep. De structuurformule is [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] X. Hydroxyethylmethylcellulose-ether (HEMc) wordt veel gebruikt en verkocht.
Op basis van de oplosbaarheid kan cellulose-ether worden onderverdeeld in ionische en niet-ionische typen. Wateroplosbare niet-ionische cellulose-ether bestaat hoofdzakelijk uit twee soorten: alkylether en hydroxyalkylether. Ionisch CMC wordt voornamelijk gebruikt in synthetische detergenten, textiel, drukwerk, voedingsmiddelen en de aardolie-industrie. Niet-ionische MC, HPMC, HEMC en andere worden voornamelijk gebruikt in bouwmaterialen, latexcoatings, geneesmiddelen, huishoudelijke chemie en andere toepassingen. Ze fungeren als verdikkingsmiddel, waterbindend middel, stabilisator, dispergeermiddel en filmvormend middel.
Cellulose-ether waterretentie
Bij de productie van bouwmaterialen, met name droge mortel, speelt cellulose-ether een onvervangbare rol, vooral bij de productie van speciale mortel (gemodificeerde mortel), waar het een onmisbaar onderdeel is.
De belangrijke rol van wateroplosbare cellulose-ether in mortel is hoofdzakelijk gebaseerd op drie aspecten: ten eerste het uitstekende waterretentievermogen, ten tweede de invloed op de consistentie en thixotropie van de mortel, en ten derde de interactie met cement.
Het waterretentievermogen van cellulose-ether is afhankelijk van de hygroscopiciteit, de samenstelling van de mortel, de dikte van de mortellaag, de waterbehoefte van de mortel en de condensatietijd van het condensatiemateriaal. Het waterretentievermogen van cellulose-ether is het gevolg van de oplosbaarheid en dehydratatie van de cellulose-ether zelf. Het is bekend dat cellulosemoleculen, ondanks hun grote aantal sterk gehydrateerde OH-groepen, onoplosbaar zijn in water vanwege hun sterk kristallijne structuur. Het hydratatievermogen van de hydroxylgroepen alleen is niet voldoende om de sterke intermoleculaire waterstofbruggen en van der Waals-krachten te compenseren. Wanneer substituenten in de moleculaire keten worden geïntroduceerd, verbreken deze niet alleen de waterstofbruggen, maar ook de intermoleculaire waterstofbruggen doordat de substituenten tussen aangrenzende ketens worden geplaatst. Hoe groter de substituenten, hoe groter de afstand tussen de moleculen. Hoe groter het effect van de verbreking van de waterstofbruggen, hoe groter de uitzetting van het cellulose-rooster, hoe beter de cellulose-ether in water oplosbaar wordt en hoe meer viscositeit er ontstaat. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de hydratatie van het polymeer af en wordt het water tussen de ketens eruit gedreven. Wanneer het uitdrogende effect voldoende is, beginnen de moleculen samen te klonteren en vouwt de gel zich uit tot een driedimensionaal netwerk. Factoren die van invloed zijn op het waterbindend vermogen van mortel zijn onder andere de viscositeit van de cellulose-ether, de dosering, de fijnheid van de deeltjes en de gebruikstemperatuur.
Hoe hoger de viscositeit van cellulose-ether, hoe beter het waterretentievermogen van de polymeeroplossing. De viscositeit van de polymeeroplossing wordt bepaald door het molecuulgewicht (polymerisatiegraad) van het polymeer, de lengte en morfologie van de moleculaire structuur van de keten, en de verdeling van het aantal substituenten heeft een directe invloed op het viscositeitsbereik. [eta] = Km alpha
Intrinsieke viscositeit van polymeeroplossingen
M polymeer moleculair gewicht
α polymeer karakteristieke constante
K viscositeitsoplossingscoëfficiënt
De viscositeit van een polymeeroplossing hangt af van het molecuulgewicht van het polymeer. De viscositeit en concentratie van cellulose-etheroplossingen zijn van belang voor diverse toepassingen. Daarom heeft elke cellulose-ether verschillende viscositeitsspecificaties. De regulering van de viscositeit wordt voornamelijk bereikt door de afbraak van alkalische cellulose, oftewel door het verbreken van de moleculaire ketens van cellulose.
Wat de deeltjesgrootte betreft, geldt: hoe fijner de deeltjes, hoe beter het waterbindend vermogen. Grote deeltjes cellulose-ether lossen bij contact met water direct op en vormen een gel die het materiaal omhult en voorkomt dat watermoleculen verder doordringen. Soms kan langdurig roeren leiden tot een niet gelijkmatige dispersie en de vorming van een troebele, vlokkerige oplossing of agglomeraten. De oplosbaarheid van cellulose-ether is een van de factoren bij de keuze van dit materiaal.
Verdikking en thixotropie van cellulose-ether
Het tweede effect van cellulose-ether – verdikking – hangt af van: de polymerisatiegraad van de cellulose-ether, de concentratie van de oplossing, de schuifsnelheid, de temperatuur en andere omstandigheden. De geleereigenschappen van de oplossing zijn uniek voor alkylcellulose en de gemodificeerde derivaten daarvan. De geleereigenschappen zijn gerelateerd aan de substitutiegraad, de concentratie van de oplossing en de toevoeging van additieven. Voor hydroxylalkyl-gemodificeerde derivaten zijn de geleigenschappen ook gerelateerd aan de mate van hydroxylalkylmodificatie. Voor oplossingen met een lage viscositeit van MC en HPmc kan een concentratie van 10%-15% worden bereid, voor MC en HPmc met een gemiddelde viscositeit een concentratie van 5%-10% en voor MC en HPmc met een hoge viscositeit een concentratie van 2%-3%. De viscositeit van cellulose-ether wordt doorgaans ook in concentraties van 1%-2% aangeboden. De verdikkingsefficiëntie van cellulose-ether met een hoog moleculair gewicht is afhankelijk van de concentratie van de oplossing. Polymeren met verschillende moleculaire gewichten hebben een verschillende viscositeit. De viscositeit en het moleculaire gewicht kunnen als volgt worden uitgedrukt: [η] = 2,92 × 10⁻² (DPn) 0,905, waarbij DPn de gemiddelde polymerisatiegraad van het polymeer is. Bij cellulose-ether met een laag moleculair gewicht is meer toevoeging nodig om de gewenste viscositeit te bereiken. De viscositeit is minder afhankelijk van de schuifsnelheid. Bij een hoge viscositeit is minder toevoeging nodig om de gewenste viscositeit te bereiken. De viscositeit is afhankelijk van de verdikkingsefficiëntie. Om een bepaalde consistentie te bereiken, moet daarom een bepaalde hoeveelheid cellulose-ether (concentratie van de oplossing) en een bepaalde viscositeit van de oplossing worden gegarandeerd. De geleertemperatuur van de oplossing daalt lineair met de toename van de concentratie en gelering treedt op bij kamertemperatuur na het bereiken van een bepaalde concentratie. HPmc heeft een hoge geleerconcentratie bij kamertemperatuur.
De consistentie kan ook worden aangepast door de deeltjesgrootte en cellulose-ethers met verschillende modificatiegraden te selecteren. De zogenaamde modificatie is de introductie van een hydroxylalkylgroep met een bepaalde substitutiegraad in de skeletstructuur van MC. Door de relatieve substitutiewaarden van de twee substituenten te veranderen, dat wil zeggen de DS- en MS-relatieve substitutiewaarden van de methoxy- en hydroxylgroepen, kunnen verschillende eigenschappen van de cellulose-ether worden verkregen door de relatieve substitutiewaarden van de twee soorten substituenten aan te passen.
De relatie tussen consistentie en modificatie. In figuur 5 beïnvloedt de toevoeging van cellulose-ether het waterverbruik van mortel en verandert de water-bindmiddelverhouding van water en cement, wat het verdikkende effect is. Hoe hoger de dosering, hoe hoger het waterverbruik.
Cellulose-ethers die in poedervormige bouwmaterialen worden gebruikt, moeten snel oplossen in koud water en het systeem de juiste consistentie geven. Als het systeem bij een bepaalde schuifsnelheid nog steeds vlokkig en colloïdaal is, is het een inferieur of kwalitatief slecht product.
Er bestaat ook een goede lineaire relatie tussen de consistentie van de cementmortel en de dosering van cellulose-ether. Cellulose-ether kan de viscositeit van mortel aanzienlijk verhogen; hoe hoger de dosering, hoe duidelijker het effect.
Een waterige oplossing van cellulose-ether met een hoge viscositeit heeft een hoge thixotropie, wat een van de kenmerken van cellulose-ether is. Waterige oplossingen van MC-polymeren hebben doorgaans pseudoplastische, niet-thixotrope vloeibaarheid onder hun geltemperatuur, maar vertonen Newtoniaanse stromingseigenschappen bij lage schuifsnelheden. Pseudoplasticiteit neemt toe met de toename van het molecuulgewicht of de concentratie van cellulose-ether en is onafhankelijk van het type en de mate van substituent. Daarom vertonen cellulose-ethers van dezelfde viscositeitsklasse, of het nu MC, HPmc of HEmc betreft, altijd dezelfde reologische eigenschappen zolang de concentratie en temperatuur constant blijven. Bij een hogere temperatuur wordt een structurele gel gevormd en treedt een hoge thixotrope stroming op. Cellulose-ethers met een hoge concentratie en lage viscositeit vertonen thixotropie zelfs onder de geltemperatuur. Deze eigenschap is zeer gunstig voor de verwerking van bouwmortel, omdat het de stroming en de vloei-eigenschappen kan reguleren. Hierbij moet worden uitgelegd dat hoe hoger de viscositeit van cellulose-ether, hoe beter het waterretentievermogen. Echter, hoe hoger de viscositeit, hoe hoger het relatieve molecuulgewicht van cellulose-ether, wat de oplosbaarheid ervan vermindert. Dit heeft een negatieve invloed op de mortelconcentratie en de bouwprestaties. Hoe hoger de viscositeit, hoe duidelijker het verdikkende effect van de mortel, maar er is geen sprake van een volledig evenredig verband. Sommige gemodificeerde cellulose-ethers met een lage viscositeit presteren beter in het verbeteren van de structurele sterkte van natte mortel; naarmate de viscositeit toeneemt, verbetert ook het waterretentievermogen van de cellulose-ether.
Geplaatst op: 30 maart 2022