Эфир целлюлозы — это синтетический полимер, получаемый из природной целлюлозы в качестве сырья путем химической модификации. Эфир целлюлозы является производным природной целлюлозы, производство эфира целлюлозы и синтетический полимер отличаются, его основным материалом является целлюлоза, природное полимерное соединение. Из-за особенностей структуры природной целлюлозы сама целлюлоза не способна реагировать с этерифицирующим агентом. Но после обработки набухающим агентом прочные водородные связи между молекулярными цепями разрушаются, и активность гидроксильных групп высвобождается в щелочную целлюлозу, обладающую реакционной способностью, и эфир целлюлозы получают путем реакции этерифицирующего агента — ОН-группа в — ОР-группу.
Свойства эфиров целлюлозы зависят от типа, количества и распределения заместителей. Классификация эфиров целлюлозы также основана на типе заместителей, степени этерификации, растворимости и области применения. В зависимости от типа заместителей в молекулярной цепи их можно разделить на простые эфиры и смешанные эфиры. МС обычно используется как простой эфир, тогда как ГПмЦ — как смешанный эфир. Метилцеллюлозный эфир МС представляет собой природный целлюлозный глюкозный звено, в котором гидроксильная группа заменена метоксидом, с формулой продукта [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X. Гидроксипропилметилцеллюлозный эфир HPmc представляет собой звено, в котором часть гидроксильной группы заменена метоксидом, а другая часть — гидроксипропилом. Его структурная формула — [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] X, а гидроксиэтилметилцеллюлозный эфир HEmc широко используется и продается на рынке.
По растворимости их можно разделить на ионные и неионогенные. Водорастворимые неионогенные эфиры целлюлозы в основном состоят из двух серий разновидностей: алкиловых эфиров и гидроксиалкиловых эфиров. Ионные целлюлозы в основном используются в производстве синтетических моющих средств, текстильной промышленности, полиграфии, пищевой промышленности и нефтедобыче. Неионогенные целлюлозы, гидроксиметилцеллюлозы, гидроксиметилцеллюлозы и другие в основном применяются в строительных материалах, латексных покрытиях, медицине, бытовой химии и других областях. В качестве загустителей, водоудерживающих агентов, стабилизаторов, диспергаторов, пленкообразователей.
Удержание воды в целлюлозном эфире
В производстве строительных материалов, особенно сухих строительных смесей, эфир целлюлозы играет незаменимую роль, особенно при производстве специальных строительных смесей (модифицированных строительных смесей), являясь их неотъемлемой частью.
Важная роль водорастворимого эфира целлюлозы в строительном растворе обусловлена тремя основными аспектами: во-первых, превосходной способностью удерживать воду, во-вторых, влиянием на консистенцию и тиксотропию раствора, и в-третьих, взаимодействием с цементом.
Водоудерживающая способность эфира целлюлозы зависит от его гидроскопичности, состава раствора, толщины слоя раствора, водопотребления раствора и времени конденсации конденсирующего материала. Водоудерживающая способность эфира целлюлозы обусловлена его растворимостью и дегидратацией. Хорошо известно, что молекулярные цепи целлюлозы, несмотря на большое количество сильно гидратированных ОН-групп, нерастворимы в воде из-за своей высококристаллической структуры. Способности к гидратации одних только гидроксильных групп недостаточно для обеспечения сильных межмолекулярных водородных связей и сил Ван дер Ваальса. При введении заместителей в молекулярную цепь происходит не только разрушение водородных связей, но и разрыв межцепочечных водородных связей из-за заклинивания заместителей между соседними цепями. Чем больше заместители, тем больше расстояние между молекулами. Чем сильнее разрушение водородных связей, тем сильнее расширение кристаллической решетки целлюлозы, тем более водорастворимым становится раствор эфира целлюлозы и тем выше его вязкость. С повышением температуры гидратация полимера уменьшается, и вода между цепями вытесняется. Когда дегидратирующий эффект становится достаточным, молекулы начинают агрегироваться, и гель сворачивается в трехмерную сетку. Факторы, влияющие на водоудержание раствора, включают вязкость эфира целлюлозы, дозировку, тонкость помола частиц и рабочую температуру.
Чем выше вязкость эфира целлюлозы, тем лучше водоудерживающие свойства и вязкость полимерного раствора. Молекулярная масса (степень полимеризации) полимера также определяется длиной и морфологией молекулярной структуры цепи, а распределение числа заместителей напрямую влияет на диапазон вязкости. [η] = Km α
Вязкость растворов полимеров
М полимерная молекулярная масса
α-полимерная характеристическая константа
Коэффициент вязкости раствора К
Вязкость полимерного раствора зависит от молекулярной массы полимера. Вязкость и концентрация растворов эфиров целлюлозы связаны с различными областями применения. Поэтому каждый эфир целлюлозы имеет множество различных характеристик вязкости, а регулирование вязкости в основном осуществляется путем деградации щелочной целлюлозы, а именно, путем разрыва молекулярной цепи целлюлозы.
Чем мельче частицы, тем лучше влагоудержание. Крупные частицы эфира целлюлозы при контакте с водой немедленно растворяются на поверхности, образуя гель, который обволакивает материал, предотвращая дальнейшее проникновение молекул воды. Иногда длительное перемешивание не позволяет добиться равномерного растворения, в результате чего образуется мутный, хлопьевидный раствор или агломераты. Растворимость эфира целлюлозы является одним из факторов, определяющих выбор этого материала.
Загущение и тиксотропия эфира целлюлозы
Второй эффект эфира целлюлозы – загущение – зависит от степени полимеризации эфира целлюлозы, концентрации раствора, скорости сдвига, температуры и других условий. Свойства гелеобразования раствора уникальны для алкилцеллюлозы и ее модифицированных производных. Характеристики гелеобразования связаны со степенью замещения, концентрацией раствора и добавками. Для гидроксиалкилмодифицированных производных свойства геля также зависят от степени гидроксиалкилмодификации. Для растворов с низкой вязкостью МК и ГПМЦ можно приготовить 10-15%-ный раствор, со средней вязкостью – 5-10%-ный, а с высокой вязкостью – только 2-3%-ный раствор, при этом вязкость эфира целлюлозы обычно также регулируется 1-2%-ным раствором. Эффективность загустителя на основе высокомолекулярного эфира целлюлозы определяется следующим образом: [η] = 2,92 × 10⁻² (DPn) 0,905, где DPn — средняя степень полимеризации высокомолекулярного эфира. Для достижения целевой вязкости необходимо добавлять больше низкомолекулярного эфира целлюлозы. Его вязкость в меньшей степени зависит от скорости сдвига; для достижения целевой вязкости требуется меньшее количество эфира целлюлозы, а вязкость зависит от эффективности загущения. Поэтому для достижения определенной консистенции необходимо обеспечить определенное количество эфира целлюлозы (концентрацию раствора) и вязкость раствора. Температура гелеобразования раствора линейно снижается с увеличением концентрации раствора, и гелеобразование происходит при комнатной температуре после достижения определенной концентрации. HPmc обладает высокой концентрацией гелеобразования при комнатной температуре.
Консистенцию также можно регулировать, выбирая размер частиц и эфиры целлюлозы с различной степенью модификации. Так называемая модификация — это введение гидроксиалкильной группы в определенной степени замещения в скелетную структуру МК. Путем изменения относительных значений замещения двух заместителей, то есть относительных значений замещения метокси- и гидроксильных групп (DS и MS), требуются различные свойства эфира целлюлозы, определяемые изменением относительных значений замещения двух типов заместителей.
Взаимосвязь между консистенцией и модификацией. На рисунке 5 показано, что добавление эфира целлюлозы влияет на водопотребление раствора и изменяет водосвязующее соотношение воды и цемента, что проявляется в эффекте загущения. Чем выше дозировка, тем больше водопотребление.
Эфиры целлюлозы, используемые в порошкообразных строительных материалах, должны быстро растворяться в холодной воде и обеспечивать системе необходимую консистенцию. Если при заданной скорости сдвига материал остается хлопьевидным и коллоидным, это некачественный продукт.
Также существует хорошая линейная зависимость между консистенцией цементного раствора и дозировкой эфира целлюлозы; эфир целлюлозы может значительно повысить вязкость раствора, и чем больше дозировка, тем более выражен эффект.
Высоковязкий водный раствор эфира целлюлозы обладает высокой тиксотропией, что является одной из характеристик эфира целлюлозы. Водные растворы полимеров типа Mc обычно обладают псевдопластичной, нетиксотропной текучестью ниже температуры гелеобразования, но ньютоновскими свойствами течения при низких скоростях сдвига. Псевдопластичность возрастает с увеличением молекулярной массы или концентрации эфира целлюлозы и не зависит от типа и степени замещения. Поэтому эфиры целлюлозы одинаковой вязкости, будь то MC, HPmc или HEmc, всегда проявляют одинаковые реологические свойства, пока концентрация и температура остаются постоянными. При повышении температуры образуется структурный гель и возникает высокая тиксотропная текучесть. Эфиры целлюлозы с высокой концентрацией и низкой вязкостью проявляют тиксотропию даже ниже температуры гелеобразования. Это свойство очень полезно для строительных растворов, позволяя регулировать их текучесть и способность к удержанию текучести. Здесь необходимо пояснить, что чем выше вязкость эфира целлюлозы, тем лучше водоудержание, но чем выше вязкость, тем выше относительная молекулярная масса эфира целлюлозы, и, соответственно, тем ниже его растворимость, что негативно сказывается на концентрации раствора и строительных характеристиках. Чем выше вязкость, тем более выражен эффект загущения раствора, но это не полностью пропорциональная зависимость. Некоторые низковязкие, но модифицированные эфиры целлюлозы демонстрируют более высокие показатели в улучшении структурной прочности влажного раствора, при этом с увеличением вязкости улучшается и водоудержание эфира целлюлозы.
Дата публикации: 30 марта 2022 г.