Eter celulozowy to syntetyczny polimer wytwarzany z naturalnej celulozy jako surowca poprzez modyfikację chemiczną. Eter celulozowy jest pochodną naturalnej celulozy, a jego produkcja różni się od produkcji syntetycznego polimeru. Jego podstawowym składnikiem jest celuloza, naturalny związek polimerowy. Ze względu na specyficzną strukturę naturalnej celulozy, sama celuloza nie ma zdolności reagowania z czynnikiem eteryfikującym. Jednak po obróbce czynnikiem spulchniającym silne wiązania wodorowe między łańcuchami cząsteczkowymi i łańcuchami ulegają zniszczeniu, a aktywność grupy hydroksylowej zostaje uwolniona do alkalicznej celulozy, która ma zdolność reakcji. Eter celulozowy uzyskuje się poprzez reakcję czynnika eteryfikującego – grupy OH – z grupą – OR.
Właściwości eterów celulozy zależą od rodzaju, liczby i rozmieszczenia podstawników. Klasyfikacja eterów celulozy opiera się również na rodzaju podstawników, stopniu eteryfikacji, rozpuszczalności i powiązanych zastosowaniach. W zależności od rodzaju podstawników w łańcuchu cząsteczkowym, etery celulozy można podzielić na etery pojedyncze i etery mieszane. MC jest zazwyczaj stosowany jako eter pojedynczy, natomiast HPmc jest eterem mieszanym. Eter metylocelulozy MC jest naturalną jednostką glukozy celulozy na hydroksylu, którą zastępuje się metoksydem o wzorze strukturalnym produktu [CO·H7O2·(OH)·3-H(OCH3)·H] X, eter hydroksypropylometylocelulozy HPmc jest jednostką na hydroksylu, która jest częścią zastąpionego metoksydu, a inna część hydroksypropylu zastąpionego produktu. Wzór strukturalny to [C6H7O2·(OH)·3-MN(OCH3)·M[OCH2CH(OH)·CH3]·N] X, a eter hydroksyetylometylocelulozy HEmc, który jest szeroko stosowany i sprzedawany na rynku.
Ze względu na rozpuszczalność, eter celulozy można podzielić na jonowy i niejonowy. Rozpuszczalny w wodzie niejonowy eter celulozy składa się głównie z eteru alkilowego i eteru hydroksyalkilowego, dwóch serii odmian. Jonowy CMC jest stosowany głównie w detergentach syntetycznych, tekstyliach, drukarstwie, przemyśle spożywczym i petrochemicznym. Niejonowe MC, HPMC, HEMC i inne są stosowane głównie w materiałach budowlanych, powłokach lateksowych, lekach, chemii użytkowej i innych zastosowaniach. Jako środek zagęszczający, środek zatrzymujący wodę, stabilizator, dyspergator i środek błonotwórczy.
Retencja wody eteru celulozowego
W produkcji materiałów budowlanych, zwłaszcza suchych zapraw mieszanych, eter celulozowy odgrywa niezastąpioną rolę, zwłaszcza w produkcji zapraw specjalnych (modyfikowanych) jest niezbędny.
Ważna rola rozpuszczalnego w wodzie eteru celulozy w zaprawie ma trzy główne aspekty. Pierwszym z nich jest doskonała zdolność do zatrzymywania wody, drugim wpływ na konsystencję zaprawy i tiksotropię, a trzecim interakcja z cementem.
Retencja wody w eterze celulozy zależy od podłoża higroskopijności, składu zaprawy, grubości warstwy zaprawy, zapotrzebowania zaprawy na wodę oraz czasu kondensacji materiału kondensacyjnego. Retencja wody w eterze celulozy wynika z rozpuszczalności i dehydratacji samego eteru celulozy. Powszechnie wiadomo, że łańcuchy cząsteczkowe celulozy, mimo że zawierają dużą liczbę silnie uwodnionych grup OH, są nierozpuszczalne w wodzie ze względu na ich wysoce krystaliczną strukturę. Sama zdolność grup hydroksylowych do hydratacji nie wystarcza do pokrycia silnych międzycząsteczkowych wiązań wodorowych i sił van der Waalsa. Wprowadzenie podstawników do łańcucha cząsteczkowego nie tylko niszczy łańcuch wodorowy, ale również powoduje zerwanie wiązań wodorowych między łańcuchami z powodu klinowania podstawników między sąsiednimi łańcuchami. Im większe są podstawniki, tym większa jest odległość między cząsteczkami. Im silniejsze jest niszczenie wiązań wodorowych i ekspansja sieci celulozowej, tym roztwór w eterze celulozy staje się rozpuszczalny w wodzie, tworząc roztwór o wysokiej lepkości. Wraz ze wzrostem temperatury hydratacja polimeru maleje, a woda między łańcuchami jest wypierana. Gdy efekt odwadniający jest wystarczający, cząsteczki zaczynają się agregować, a żel tworzy trójwymiarową sieć. Czynniki wpływające na retencję wody w zaprawie obejmują lepkość eteru celulozy, dozowanie, stopień rozdrobnienia cząstek i temperaturę użytkowania.
Im większa lepkość eteru celulozy, tym lepsza retencja wody, a tym samym lepkość roztworu polimeru. Masa cząsteczkowa (stopień polimeryzacji) polimeru jest również determinowana przez długość i morfologię struktury cząsteczkowej łańcucha, a rozkład liczby podstawników bezpośrednio wpływa na zakres lepkości. [eta] = Km alfa
Lepkość istotna roztworów polimerowych
Masa cząsteczkowa polimeru M
stała charakterystyczna polimeru α
Współczynnik lepkości roztworu K
Lepkość roztworu polimeru zależy od masy cząsteczkowej polimeru. Lepkość i stężenie roztworów eterów celulozy zależą od różnych zastosowań. W związku z tym, każdy eter celulozy ma wiele różnych parametrów lepkości, a regulacja lepkości odbywa się głównie poprzez degradację alkalicznej celulozy, a mianowicie poprzez pękanie łańcucha cząsteczkowego celulozy.
W przypadku wielkości cząstek, im drobniejsza cząstka, tym lepsze zatrzymywanie wody. Duże cząsteczki eteru celulozy w kontakcie z wodą natychmiast rozpuszczają się na powierzchni i tworzą żel, który otula materiał, zapobiegając dalszemu wnikaniu cząsteczek wody. Czasami długotrwałe mieszanie nie pozwala na równomierne rozproszenie, co prowadzi do powstania błotnistego, kłaczkowatego roztworu lub aglomeratu. Rozpuszczalność eteru celulozy jest jednym z czynników decydujących o wyborze eteru celulozy.
Zagęszczanie i tiksotropia eteru celulozy
Drugi efekt eteru celulozy – zagęszczanie – zależy od: stopnia polimeryzacji eteru celulozy, stężenia roztworu, szybkości ścinania, temperatury i innych warunków. Zdolność roztworu do żelowania jest unikalna dla alkilocelulozy i jej modyfikowanych pochodnych. Charakterystyka żelowania jest związana ze stopniem podstawienia, stężeniem roztworu i dodatkami. W przypadku modyfikowanych pochodnych hydroksyalkilowych, właściwości żelowania są również związane ze stopniem modyfikacji hydroksyalkilowej. Dla stężenia roztworu MC i HPmc o niskiej lepkości można przygotować roztwór o stężeniu 10%-15%, MC i HPmc o średniej lepkości można przygotować roztwór o stężeniu 5%-10%, a MC i HPmc o wysokiej lepkości można przygotować tylko roztwór o stężeniu 2%-3%, a zwykle lepkość eteru celulozy jest również stopniowana o 1%-2%. Wydajność zagęszczacza eteru celulozy o dużej masie cząsteczkowej, takie samo stężenie roztworu, polimery o różnej masie cząsteczkowej mają różną lepkość, lepkość i masę cząsteczkową można wyrazić następująco: [η] = 2,92 × 10-2 (DPn) 0,905, DPn to średni stopień polimeryzacji wysokiego. Eter celulozy o małej masie cząsteczkowej należy dodać więcej, aby osiągnąć docelową lepkość. Jego lepkość jest mniej zależna od szybkości ścinania, wysoka lepkość, aby osiągnąć docelową lepkość, ilość potrzebna do dodania mniej, lepkość zależy od wydajności zagęszczania. Dlatego, aby osiągnąć określoną konsystencję, należy zagwarantować określoną ilość eteru celulozy (stężenie roztworu) i lepkość roztworu. Temperatura żelowania roztworu spada liniowo wraz ze wzrostem stężenia roztworu, a żelowanie nastąpiło w temperaturze pokojowej po osiągnięciu określonego stężenia. HPmc ma wysokie stężenie żelowania w temperaturze pokojowej.
Konsystencję można również regulować poprzez dobór wielkości cząstek i eterów celulozy o różnym stopniu modyfikacji. Tak zwana modyfikacja polega na wprowadzeniu grupy hydroksyalkilowej o określonym stopniu podstawienia do struktury szkieletu MC. Zmieniając względne wartości podstawienia dwóch podstawników, tj. względne wartości podstawienia DS i MS grup metoksylowych i hydroksylowych, uzyskuje się różne właściwości eterów celulozy poprzez zmianę względnych wartości podstawienia dwóch rodzajów podstawników.
Zależność między konsystencją a modyfikacją. Na rysunku 5, dodatek eteru celulozy wpływa na zużycie wody w zaprawie i zmienia stosunek wody do spoiwa między wodą a cementem, co jest efektem zagęszczającym. Im wyższa dawka, tym większe zużycie wody.
Etery celulozy stosowane w proszkowych materiałach budowlanych muszą szybko rozpuszczać się w zimnej wodzie i zapewniać systemowi odpowiednią konsystencję. Jeśli przy danej szybkości ścinania materiał jest nadal flokulujący i koloidalny, oznacza to produkt niskiej jakości lub niskiej jakości.
Istnieje również dobra liniowa zależność między konsystencją zaczynu cementowego a dawką eteru celulozy. Eter celulozy może znacznie zwiększyć lepkość zaprawy, im większa dawka, tym bardziej widoczny jest efekt.
Wodny roztwór eteru celulozy o wysokiej lepkości charakteryzuje się wysoką tiksotropią, co jest jedną z cech eteru celulozy. Wodne roztwory polimerów typu Mc zazwyczaj charakteryzują się pseudoplastyczną, nietiksotropową płynnością poniżej temperatury żelowania, ale newtonowskimi właściwościami płynięcia przy niskich szybkościach ścinania. Pseudoplastyczność wzrasta wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej lub stężenia eteru celulozy i jest niezależna od rodzaju i stopnia obecności podstawników. Dlatego etery celulozy o tym samym stopniu lepkości, czy to MC, HPmc czy HEmc, zawsze wykazują te same właściwości reologiczne, o ile stężenie i temperatura pozostają stałe. Wraz ze wzrostem temperatury tworzy się żel strukturalny i występuje wysoka tiksotropowość. Etery celulozy o wysokim stężeniu i niskiej lepkości wykazują tiksotropię nawet poniżej temperatury żelowania. Ta właściwość jest bardzo korzystna w procesie produkcji zapraw budowlanych, ponieważ reguluje ich płynność i zdolność do utrzymywania się w stanie płynięcia. Należy tutaj wyjaśnić, że im wyższa lepkość eteru celulozy, tym lepsza retencja wody, ale im wyższa lepkość, tym wyższa względna masa cząsteczkowa eteru celulozy, co z kolei prowadzi do zmniejszenia jego rozpuszczalności, co negatywnie wpływa na stężenie zaprawy i jej właściwości konstrukcyjne. Im wyższa lepkość, tym wyraźniejszy efekt zagęszczania zaprawy, ale nie jest to zależność proporcjonalna. Chociaż lepkość jest niska, modyfikowany eter celulozy, poprawiając wytrzymałość strukturalną mokrej zaprawy, ma lepsze właściwości, a wraz ze wzrostem lepkości poprawia retencję wody.
Czas publikacji: 30 marca 2022 r.