O que é éter de celulose?

Éter de celuloseA celulose é um composto polimérico com estrutura de éter, formado a partir da celulose. Cada anel glicosídico na macromolécula de celulose contém três grupos hidroxila: o grupo hidroxila primário no sexto átomo de carbono, o grupo hidroxila secundário no segundo e terceiro átomos de carbono, e o hidrogênio do grupo hidroxila é substituído por um grupo hidrocarboneto, gerando derivados de éter de celulose. Trata-se de um produto no qual o hidrogênio do grupo hidroxila no polímero de celulose é substituído por um grupo hidrocarboneto. A celulose é um composto polimérico polihidroxilado que não se dissolve nem funde. Após a eterificação, a celulose torna-se solúvel em água, em soluções alcalinas diluídas e em solventes orgânicos, apresentando termoplasticidade.

A celulose é um composto polimérico polihidroxilado que não se dissolve nem funde. Após a eterificação, a celulose torna-se solúvel em água, em soluções alcalinas diluídas e em solventes orgânicos, apresentando termoplasticidade.

1. Natureza:

A solubilidade da celulose após a eterificação muda significativamente. Ela pode ser dissolvida em água, ácido diluído, álcali diluído ou solvente orgânico. A solubilidade depende principalmente de três fatores: (1) As características dos grupos introduzidos no processo de eterificação: quanto maior o grupo introduzido, menor a solubilidade; e quanto maior a polaridade do grupo introduzido, mais fácil será a dissolução do éter de celulose em água; (2) O grau de substituição e a distribuição dos grupos eterificados na macromolécula. A maioria dos éteres de celulose só se dissolve em água com um certo grau de substituição, entre 0 e 3; (3) O grau de polimerização do éter de celulose: quanto maior o grau de polimerização, menor a solubilidade; quanto menor o grau de substituição, maior a solubilidade em água. Existem muitos tipos de éteres de celulose com excelente desempenho, amplamente utilizados nas indústrias de construção, cimento, petróleo, alimentos, têxteis, detergentes, tintas, medicamentos, papel e componentes eletrônicos, entre outras.

2. Desenvolver:

A China é o maior produtor e consumidor mundial de éter de celulose, com uma taxa média de crescimento anual superior a 20%. Segundo estatísticas preliminares, existem cerca de 50 empresas produtoras de éter de celulose na China, cuja capacidade de produção projetada ultrapassa 400.000 toneladas, sendo que cerca de 20 delas possuem capacidade superior a 10.000 toneladas, concentradas principalmente em Shandong, Hebei, Chongqing, Jiangsu, Zhejiang, Xangai e outras regiões.

3. Necessidade:

Em 2011, a capacidade de produção de CMC na China era de aproximadamente 300.000 toneladas. Com a crescente demanda por éteres de celulose de alta qualidade em indústrias como a farmacêutica, alimentícia e de produtos químicos de uso diário, a demanda interna por outros produtos derivados de éter de celulose, além do CMC, está aumentando. A capacidade de produção de MC/HPMC é de cerca de 120.000 toneladas, e a de HEC, de aproximadamente 20.000 toneladas. O PAC ainda está em fase de promoção e aplicação na China. Com o desenvolvimento de grandes campos de petróleo offshore e o crescimento das indústrias de materiais de construção, alimentícia, química e outras, a quantidade e a área de aplicação do PAC estão aumentando e se expandindo ano a ano, com uma capacidade de produção superior a 10.000 toneladas.

4. Classificação:

De acordo com a classificação da estrutura química dos substituintes, eles podem ser divididos em éteres aniônicos, catiônicos e não iônicos. Dependendo do agente de eterificação utilizado, existem metilcelulose, hidroxietilmetilcelulose, carboximetilcelulose, etilcelulose, benzilcelulose, hidroxietilcelulose, hidroxipropilmetilcelulose, cianoetilcelulose, benzilcianoetilcelulose, carboximetilhidroxietilcelulose e fenilcelulose, etc. A metilcelulose e a etilcelulose são mais práticas.

Metilcelulose:

Após o algodão refinado ser tratado com álcali, o éter de celulose é produzido por meio de uma série de reações com cloreto de metano como agente eterificante. Geralmente, o grau de substituição é de 1,6 a 2,0, e a solubilidade também varia de acordo com o grau de substituição. Pertence à classe dos éteres de celulose não iônicos.

(1) A metilcelulose é solúvel em água fria e torna-se difícil de dissolver em água quente. Sua solução aquosa é muito estável na faixa de pH 3 a 12. Possui boa compatibilidade com amido, goma guar, etc., e com muitos surfactantes. Quando a temperatura atinge a temperatura de gelificação, ocorre a gelificação.

(2) A retenção de água da metilcelulose depende da quantidade adicionada, da viscosidade, do tamanho das partículas e da taxa de dissolução. Geralmente, se a quantidade adicionada for grande, a finura for pequena e a viscosidade for alta, a taxa de retenção de água será alta. Dentre esses fatores, a quantidade adicionada tem o maior impacto na taxa de retenção de água, e o nível de viscosidade não é diretamente proporcional ao nível de retenção de água. A taxa de dissolução depende principalmente do grau de modificação da superfície das partículas de celulose e da finura das partículas. Dentre os éteres de celulose mencionados, a metilcelulose e a hidroxipropilmetilcelulose apresentam as maiores taxas de retenção de água.

(3) As alterações de temperatura podem afetar seriamente a retenção de água da metilcelulose. Geralmente, quanto maior a temperatura, pior a retenção de água. Se a temperatura da argamassa exceder 40 °C, a retenção de água da metilcelulose será significativamente reduzida, afetando seriamente a construção da argamassa.

(4)MetilceluloseTem um efeito significativo na trabalhabilidade e coesão da argamassa. A "adesividade" aqui se refere à força de ligação sentida entre a ferramenta aplicadora do trabalhador e o substrato da parede, ou seja, a resistência ao cisalhamento da argamassa. Se a adesividade for alta, a resistência ao cisalhamento da argamassa será grande e a força exigida dos trabalhadores durante o uso também será grande, resultando em um desempenho construtivo ruim da argamassa. A coesão da metilcelulose em produtos de éter celulósico é de nível médio.

Hidroxipropilmetilcelulose:

A hidroxipropilmetilcelulose é uma variedade de celulose cuja produção e consumo estão aumentando rapidamente. Trata-se de um éter misto de celulose não iônico, obtido a partir de algodão refinado após alcalinização, utilizando óxido de propileno e cloreto de metila como agentes de eterificação, por meio de uma série de reações. O grau de substituição geralmente varia de 1,2 a 2,0. Suas propriedades variam dependendo da proporção entre o teor de metoxila e o teor de hidroxipropil.

(1) A hidroxipropilmetilcelulose é facilmente solúvel em água fria e apresenta dificuldades de dissolução em água quente. No entanto, sua temperatura de gelificação em água quente é significativamente maior do que a da metilcelulose. A solubilidade em água fria também é bastante superior à da metilcelulose.

(2) A viscosidade da hidroxipropilmetilcelulose está relacionada ao seu peso molecular, sendo que quanto maior o peso molecular, maior a viscosidade. A temperatura também afeta sua viscosidade, diminuindo com o aumento da temperatura. No entanto, a influência da alta viscosidade e da temperatura é menor do que a da metilcelulose. Sua solução é estável quando armazenada à temperatura ambiente.

(3) A retenção de água da hidroxipropilmetilcelulose depende da quantidade adicionada, da viscosidade, etc., e sua taxa de retenção de água sob a mesma quantidade adicionada é maior do que a da metilcelulose.

(4)HidroxipropilmetilceluloseÉ estável em meio ácido e alcalino, e sua solução aquosa é muito estável na faixa de pH 2 a 12. Soda cáustica e água de cal têm pouco efeito sobre seu desempenho, mas o álcali pode acelerar sua dissolução e aumentar ligeiramente sua viscosidade. A hidroxipropilmetilcelulose é estável em sais comuns, mas quando a concentração da solução salina é alta, a viscosidade da solução de hidroxipropilmetilcelulose tende a aumentar.

(5) A hidroxipropilmetilcelulose pode ser misturada com compostos poliméricos solúveis em água para formar uma solução uniforme e de maior viscosidade. Como álcool polivinílico, éter de amido, goma vegetal, etc.

(6) A hidroxipropilmetilcelulose tem melhor resistência enzimática do que a metilcelulose, e sua solução é menos propensa a ser degradada por enzimas do que a metilcelulose.

(7) A adesão da hidroxipropilmetilcelulose à construção de argamassa é maior do que a da metilcelulose.

Hidroxietilcelulose:

É produzido a partir de algodão refinado tratado com álcali e reagido com óxido de etileno como agente eterificante na presença de isopropanol. Seu grau de substituição é geralmente de 1,5 a 2,0. Possui forte hidrofilicidade e absorve umidade com facilidade.

(1) A hidroxietilcelulose é solúvel em água fria, mas é difícil de dissolver em água quente. Sua solução é estável em alta temperatura sem gelificar. Pode ser usada por um longo tempo em alta temperatura em argamassa, mas sua retenção de água é menor que a da metilcelulose.

(2) A hidroxietilcelulose é estável a ácidos e álcalis em geral, e os álcalis podem acelerar sua dissolução e aumentar ligeiramente sua viscosidade. Sua dispersibilidade em água é ligeiramente pior do que a da metilcelulose e da hidroxipropilmetilcelulose.

(3) A hidroxietilcelulose tem bom desempenho anti-escorrimento para argamassa, mas tem um tempo de retardamento mais longo para cimento.

(4) O desempenho da hidroxietilcelulose produzida por algumas empresas nacionais é obviamente inferior ao da metilcelulose devido ao seu elevado teor de água e elevado teor de cinzas.

(5) O mofo da solução aquosa de hidroxietilcelulose é relativamente sério. A uma temperatura de cerca de 40°C, o mofo pode ocorrer dentro de 3 a 5 dias, o que afetará seu desempenho.

Carboximetilcelulose:

O éter de celulose iônico é produzido a partir de fibras naturais (algodão, etc.) após tratamento alcalino, utilizando monocloroacetato de sódio como agente de eterificação, e submetido a uma série de reações. O grau de substituição geralmente varia de 0,4 a 1,4, e seu desempenho é fortemente influenciado por esse grau.

(1) A carboximetilcelulose é mais higroscópica e conterá mais água quando armazenada em condições gerais.

(2) A solução aquosa de carboximetilcelulose não produz gel e a viscosidade diminui com o aumento da temperatura. Quando a temperatura excede 50°C, a viscosidade é irreversível.

(3) Sua estabilidade é bastante afetada pelo pH. Geralmente, pode ser usado em argamassa à base de gesso, mas não em argamassa à base de cimento. Quando altamente alcalino, perderá viscosidade.

(4) Sua retenção de água é muito menor que a da metilcelulose. Ela tem um efeito retardador na argamassa à base de gesso e reduz sua resistência. No entanto, o preço da carboximetilcelulose é significativamente menor que o da metilcelulose.

Éter alquílico de celulose:

Exemplos representativos são a metilcelulose e a etilcelulose. Na produção industrial, o cloreto de metila ou o cloreto de etila são geralmente usados ​​como agentes de eterificação, e a reação é a seguinte:

Na fórmula, R representa CH3 ou C2H5. A concentração de álcali não só afeta o grau de eterificação, como também o consumo de haletos de alquila. Quanto menor a concentração de álcali, mais forte a hidrólise do haleto de alquila. Para reduzir o consumo do agente eterificante, a concentração de álcali deve ser aumentada. No entanto, quando a concentração de álcali é muito alta, o efeito de intumescimento da celulose é reduzido, o que não é favorável à reação de eterificação e, portanto, o grau de eterificação é reduzido. Para isso, pode-se adicionar soda cáustica concentrada ou soda cáustica sólida durante a reação. O reator deve possuir um bom dispositivo de agitação e homogeneização para que o álcali seja distribuído uniformemente. A metilcelulose é amplamente utilizada como espessante, adesivo e coloide protetor, entre outras aplicações. Também pode ser usada como dispersante em polimerização em emulsão, dispersante aglutinante para sementes, pasta têxtil, aditivo para alimentos e cosméticos, adesivo médico, material de revestimento de medicamentos, além de ser utilizada em tintas látex, tintas de impressão, produção cerâmica e misturada ao cimento para controlar o tempo de pega e aumentar a resistência inicial, etc. Os produtos de etilcelulose apresentam alta resistência mecânica, flexibilidade, resistência ao calor e ao frio. A etilcelulose com baixo grau de substituição é solúvel em água e em soluções alcalinas diluídas, enquanto os produtos com alto grau de substituição são solúveis na maioria dos solventes orgânicos. Possui boa compatibilidade com diversas resinas e plastificantes. Pode ser utilizado na fabricação de plásticos, filmes, vernizes, adesivos, látex e materiais de revestimento para medicamentos, etc. A introdução de grupos hidroxialquila em éteres alquílicos de celulose pode melhorar sua solubilidade, reduzir sua sensibilidade à precipitação salina, aumentar a temperatura de gelificação e melhorar as propriedades de fusão a quente, etc. O grau de alteração dessas propriedades varia com a natureza dos substituintes e a proporção entre grupos alquila e hidroxialquila.

Éter hidroxialquílico de celulose:

Exemplos representativos são a hidroxietilcelulose e a hidroxipropilcelulose. Os agentes eterificantes são epóxidos como o óxido de etileno e o óxido de propileno. Utiliza-se um ácido ou uma base como catalisador. A produção industrial consiste na reação da celulose alcalina com o agente eterificante.hidroxietilceluloseA hidroxipropilcelulose com alto valor de substituição é solúvel tanto em água fria quanto em água quente. Já a hidroxietilcelulose, com alto valor de substituição, é solúvel apenas em água fria, não sendo solúvel em água quente. A hidroxietilcelulose pode ser utilizada como espessante para revestimentos de látex, pastas de impressão e tingimento têxtil, materiais de colagem de papel, adesivos e coloides protetores. O uso da hidroxipropilcelulose é semelhante ao da hidroxietilcelulose. A hidroxipropilcelulose com baixo valor de substituição pode ser utilizada como excipiente farmacêutico, apresentando propriedades tanto aglutinantes quanto desintegrantes.

A carboximetilcelulose, abreviada em inglês como CMC, geralmente existe na forma de sal de sódio. O agente eterificante é o ácido monocloroacético, e a reação é a seguinte:

A carboximetilcelulose é o éter de celulose solúvel em água mais utilizado. No passado, era usada principalmente como fluido de perfuração, mas agora seu uso se expandiu para aditivos em detergentes, impermeabilizantes para roupas, tintas látex, revestimentos de papelão e papel, etc. A carboximetilcelulose pura pode ser usada em alimentos, medicamentos, cosméticos e também como adesivo para cerâmica e moldes.

A celulose polianiônica (PAC) é um éter de celulose iônico e um substituto de alta qualidade para a carboximetilcelulose (CMC). Apresenta-se como um pó ou grânulo branco, quase branco ou levemente amarelado, atóxico, insípido, facilmente solúvel em água, formando uma solução transparente com certa viscosidade. Possui melhor estabilidade térmica e resistência a sais, além de fortes propriedades antibacterianas. Não mofa nem se deteriora. Caracteriza-se por alta pureza, alto grau de substituição e distribuição uniforme dos substituintes. Pode ser utilizada como aglutinante, espessante, modificador de reologia, redutor de perda de fluido, estabilizador de suspensão, entre outras aplicações. A celulose polianiônica (PAC) é amplamente utilizada em todos os setores industriais onde a CMC pode ser aplicada, permitindo reduzir significativamente a dosagem, facilitar o uso, proporcionar maior estabilidade e atender a requisitos de processo mais exigentes.

A cianoetilcelulose é o produto da reação entre celulose e acrilonitrila sob catálise alcalina.

A cianoetilcelulose possui alta constante dielétrica e baixo coeficiente de perda, podendo ser utilizada como matriz de resina para lâmpadas de fósforo e eletroluminescentes. Cianoetilcelulose com baixo grau de substituição pode ser usada como papel isolante para transformadores.

Éteres de álcoois graxos superiores, éteres alquenílicos e éteres de álcoois aromáticos da celulose foram preparados, mas não foram utilizados na prática.

Os métodos de preparação do éter de celulose podem ser divididos em método em meio aquoso, método em solvente, método de amassamento, método de suspensão, método gás-sólido, método em fase líquida e a combinação dos métodos acima.

5. Princípio de preparação:

A polpa de celulose com alto teor de α-celulose é imersa em solução alcalina para inchar e romper mais ligações de hidrogênio, facilitando a difusão de reagentes e gerando celulose alcalina. Em seguida, a polpa reage com um agente eterificante para obter éter de celulose. Os agentes eterificantes incluem haletos (ou sulfatos) de hidrocarbonetos, epóxidos e compostos α e β insaturados com grupos aceptores de elétrons.

6. Desempenho básico:

Os aditivos desempenham um papel fundamental na melhoria do desempenho da argamassa seca para construção, representando mais de 40% do custo total dos materiais. Uma parcela considerável dos aditivos disponíveis no mercado interno é fornecida por fabricantes estrangeiros, que também definem a dosagem recomendada para cada produto. Consequentemente, o custo da argamassa seca permanece elevado, dificultando a popularização de argamassas comuns para alvenaria e reboco em larga escala. Produtos de alta qualidade são controlados por empresas estrangeiras, o que resulta em baixas margens de lucro e preços pouco competitivos para os fabricantes de argamassa seca. Além disso, a aplicação de aditivos carece de pesquisas sistemáticas e direcionadas, sendo frequentemente adotada sem o devido rigor com fórmulas estrangeiras.

O agente retentor de água é um aditivo fundamental para melhorar o desempenho de retenção de água da argamassa seca, sendo também um dos principais fatores que determinam o custo dos materiais utilizados nesse tipo de argamassa. A principal função do éter de celulose é a retenção de água.

Éter de celulose é um termo geral para uma série de produtos obtidos pela reação da celulose alcalina com um agente eterificante sob certas condições. A celulose alcalina é substituída por diferentes agentes eterificantes para se obterem diferentes éteres de celulose. De acordo com as propriedades de ionização dos substituintes, os éteres de celulose podem ser divididos em duas categorias: iônicos (como a carboximetilcelulose) e não iônicos (como a metilcelulose). De acordo com o tipo de substituinte, o éter de celulose pode ser dividido em monoéter (como a metilcelulose) e éter misto (como a hidroxipropilmetilcelulose). De acordo com a solubilidade, pode ser dividido em solúvel em água (como a hidroxietilcelulose) e solúvel em solventes orgânicos (como a etilcelulose). A argamassa seca é composta principalmente de celulose solúvel em água, e a celulose solúvel em água é dividida em tipo instantâneo e tipo de dissolução retardada com tratamento superficial.

O mecanismo de ação do éter de celulose na argamassa é o seguinte:

(1) Após oéter de celuloseNa argamassa, quando dissolvido em água, a distribuição eficaz e uniforme do material cimentício no sistema é garantida pela atividade superficial, e o éter de celulose, como um coloide protetor, "envolve" as partículas sólidas e forma uma camada de película lubrificante em sua superfície externa, o que torna o sistema de argamassa mais estável e também melhora a fluidez da argamassa durante o processo de mistura e a suavidade da aplicação.

(2) Devido à sua própria estrutura molecular, a solução de éter de celulose faz com que a umidade na argamassa não se perca facilmente e a libere gradualmente ao longo de um longo período de tempo, conferindo à argamassa boa retenção de água e trabalhabilidade.