Celulozni eter je sintetični polimer, pridobljen iz naravne celuloze kot surovine s kemično modifikacijo. Celulozni eter je derivat naravne celuloze, proizvodnja celuloznega etra pa se razlikuje od sintetičnega polimera, njegov najosnovnejši material je celuloza, naravna polimerna spojina. Zaradi posebnosti strukture naravne celuloze celuloza sama ne more reagirati z eterifikacijskim sredstvom. Po obdelavi z nabrekalnim sredstvom pa se močne vodikove vezi med molekularnimi verigami in verigami uničijo, aktivnost hidroksilne skupine pa se sprosti v alkalno celulozo z reakcijsko sposobnostjo, ki jo povzroči eterifikacijsko sredstvo - OH skupina v -OR skupino, in celulozni eter se dobi z reakcijo eterifikacijskega sredstva - OH skupina v -OR skupino.
Lastnosti celuloznih etrov so odvisne od vrste, števila in porazdelitve substituentov. Razvrstitev celuloznih etrov temelji tudi na vrsti substituentov, stopnji eterifikacije, topnosti in sorodni uporabi. Glede na vrsto substituentov v molekularni verigi jih lahko razdelimo na enojne etre in mešane etre. MC se običajno uporablja kot enojni eter, medtem ko je HPmc mešani eter. Metilcelulozni eter MC je naravna celulozna glukozna enota na hidroksilni skupini, ki jo nadomesti metoksid, s strukturno formulo produkta [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X, hidroksipropil metilcelulozni eter HPmc je enota na hidroksilni skupini, ki je del nadomeščenega metoksida, drugi del hidroksipropilnega produkta pa je nadomeščenega hidroksipropila. Strukturna formula je [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3)M [OCH2CH (OH) CH3]N] X, hidroksietil metilcelulozni eter HEmc pa se pogosto uporablja in prodaja na trgu.
Glede na topnost jih lahko razdelimo na ionske in neionske. V vodi topen neionski celulozni eter je sestavljen predvsem iz dveh vrst alkil etra in hidroksialkil etra. Ionski CMC se uporablja predvsem v sintetičnih detergentih, tekstilni, tiskarski, prehrambeni in naftni industriji. Neionski MC, HPMC, HEmc in drugi se uporabljajo predvsem v gradbenih materialih, lateks premazih, medicini, vsakodnevni kemiji in drugih vidikih. Uporabljajo se kot zgoščevalec, sredstvo za zadrževanje vode, stabilizator, dispergator in sredstvo za tvorbo filma.
Zadrževanje vode v celuloznem etru
Pri proizvodnji gradbenih materialov, zlasti suho mešanih malt, ima celulozni eter nenadomestljivo vlogo, zlasti pri proizvodnji posebne malte (modificirane malte), ki je nepogrešljiv del.
Pomembna vloga vodotopnega celuloznega etra v malti ima predvsem tri vidike: odlična sposobnost zadrževanja vode, vpliv konsistence malte in tiksotropije ter interakcija s cementom.
Zadrževanje vode v celuloznem etru je odvisno od hidroskopičnosti, sestave malte, debeline plasti malte, potrebe po vodi v malti in časa kondenzacije kondenzacijskega materiala. Zadrževanje vode v celuloznem etru izhaja iz topnosti in dehidracije samega celuloznega etra. Dobro je znano, da so celulozne molekularne verige, čeprav vsebujejo veliko število visoko hidriranih OH skupin, netopne v vodi zaradi svoje visoko kristalinične strukture. Samo hidratacijska sposobnost hidroksilnih skupin ni dovolj, da bi pokrila močne medmolekularne vodikove vezi in van der Waalsove sile. Ko se v molekularno verigo vnesejo substituenti, ne le substituenti uničijo vodikovo verigo, ampak se zaradi zagozditve substituentov med sosednjimi verigami prekinejo tudi medverižne vodikove vezi. Večji kot so substituenti, večja je razdalja med molekulami. Večji kot je učinek uničenja vodikovih vezi, razširitev celulozne mreže, raztopina v celuloznem etru postane topna v vodi in nastane raztopina z visoko viskoznostjo. Z naraščanjem temperature se hidracija polimera zmanjša in voda med verigami se iztisne. Ko je dehidracijski učinek zadosten, se molekule začnejo agregirati in gel se zloži v tridimenzionalno mrežo. Dejavniki, ki vplivajo na zadrževanje vode v malti, vključujejo viskoznost celuloznega etra, doziranje, finost delcev in temperaturo uporabe.
Večja kot je viskoznost celuloznega etra, boljša je sposobnost zadrževanja vode, viskoznost polimerne raztopine. Molekulsko maso (stopnjo polimerizacije) polimera določata tudi dolžina in morfologija molekularne strukture verige, porazdelitev števila substituentov pa neposredno vpliva na območje viskoznosti. [eta] = Km alfa
Intrinzična viskoznost polimernih raztopin
molekulska masa polimera M
α karakteristična konstanta polimera
Koeficient raztopine viskoznosti K
Viskoznost polimerne raztopine je odvisna od molekulske mase polimera. Viskoznost in koncentracija raztopin celuloznega etra sta povezani z različnimi aplikacijami. Zato ima vsak celulozni eter veliko različnih specifikacij viskoznosti, regulacija viskoznosti pa poteka predvsem z razgradnjo alkalne celuloze, in sicer z lomljenjem celulozne molekularne verige.
Kar zadeva velikost delcev, velja, da manjši kot so delci, boljše je zadrževanje vode. Veliki delci celuloznega etra se ob stiku z vodo takoj raztopijo na površini in tvorijo gel, ki ovije material in prepreči nadaljnje prodiranje molekul vode. Včasih se zaradi dolgotrajnega mešanja raztopina ne more enakomerno porazdeliti, kar povzroči nastanek blatne flokulentne raztopine ali aglomerata. Topnost celuloznega etra je eden od dejavnikov pri izbiri celuloznega etra.
Zgoščevanje in tiksotropija celuloznega etra
Drugi učinek celuloznega etra – zgoščevanje – je odvisen od: stopnje polimerizacije celuloznega etra, koncentracije raztopine, strižne hitrosti, temperature in drugih pogojev. Lastnost geliranja raztopine je edinstvena za alkil celulozo in njene modificirane derivate. Značilnosti geliranja so povezane s stopnjo substitucije, koncentracijo raztopine in dodatki. Pri derivatih, modificiranih z hidroksil alkilom, so lastnosti gela povezane tudi s stopnjo modifikacije z hidroksil alkilom. Za nizko viskozno koncentracijo raztopine MC in HPmc lahko pripravimo 10–15 % koncentracijo, za srednje viskozno MC in HPmc 5–10 %, za visoko viskozno MC in HPmc pa le 2–3 % raztopino, pri čemer se običajno viskoznost celuloznega etra stopnjuje z 1–2 % raztopino. Učinkovitost zgoščevalca celuloznega etra z visoko molekulsko maso ima pri enaki koncentraciji raztopine različne molekulske mase različno viskoznost, viskoznost in molekulsko maso pa lahko izrazimo na naslednji način: [η] = 2,92 × 10⁻² (DPn) = 0,905, kjer je DPn povprečna stopnja polimerizacije z visoko molekulsko maso. Za doseganje ciljne viskoznosti je treba dodati več celuloznega etra z nizko molekulsko maso. Njegova viskoznost je manj odvisna od strižne hitrosti, za doseganje ciljne viskoznosti je potrebna visoka viskoznost, manjša količina dodatka, viskoznost pa je odvisna od učinkovitosti zgoščevanja. Zato je treba za doseganje določene konsistence zagotoviti določeno količino celuloznega etra (koncentracijo raztopine) in viskoznost raztopine. Temperatura želiranja raztopine se linearno zmanjšuje z naraščanjem koncentracije raztopine, želiranje pa se pojavi pri sobni temperaturi po doseganju določene koncentracije. HPMC ima visoko koncentracijo želiranja pri sobni temperaturi.
Konsistenco je mogoče prilagoditi tudi z izbiro velikosti delcev in različnih stopenj modifikacije celuloznih etrov. Tako imenovana modifikacija je uvedba hidroksil alkilne skupine z določeno stopnjo substitucije v ogrodno strukturo MC. S spreminjanjem relativnih substitucijskih vrednosti obeh substituentov, torej relativnih substitucijskih vrednosti DS in MS metoksi in hidroksilnih skupin, so potrebne različne lastnosti celuloznega etra.
Razmerje med konsistenco in modifikacijo. Na sliki 5 dodatek celuloznega etra vpliva na porabo vode v malti in spremeni razmerje med vodo in vezivom ter cementom, kar je učinek zgoščevanja. Višji kot je odmerek, večja je poraba vode.
Celulozni etri, ki se uporabljajo v praškastih gradbenih materialih, se morajo hitro raztopiti v hladni vodi in zagotoviti sistemu pravilno konsistenco. Če je dana strižna hitrost še vedno flokulantna in koloidna, gre za podstandardni ali slabo kakovosten izdelek.
Obstaja tudi dobra linearna povezava med konsistenco cementne kaše in odmerkom celuloznega etra, celulozni eter lahko močno poveča viskoznost malte, večji kot je odmerek, bolj očiten je učinek.
Vodna raztopina celuloznega etra z visoko viskoznostjo ima visoko tiksotropijo, kar je ena od značilnosti celuloznega etra. Vodne raztopine polimerov tipa Mc imajo običajno psevdoplastično, netiksotropno fluidnost pod temperaturo gela, vendar Newtonove lastnosti pretoka pri nizkih strižnih hitrostih. Psevdoplastičnost se povečuje z naraščanjem molekulske mase ali koncentracije celuloznega etra in je neodvisna od vrste in stopnje substituenta. Zato celulozni etri iste viskoznosti, bodisi MC, HPmc ali HEmc, vedno kažejo enake reološke lastnosti, dokler koncentracija in temperatura ostaneta konstantni. Ko se temperatura poveča, se tvori strukturni gel in pride do visokega tiksotropnega pretoka. Celulozni etri z visoko koncentracijo in nizko viskoznostjo kažejo tiksotropijo tudi pod temperaturo gela. Ta lastnost je zelo koristna pri gradnji gradbene malte za prilagajanje njenega pretoka in lastnosti zadrževanja. Tukaj je treba pojasniti, da višja kot je viskoznost celuloznega etra, boljše je zadrževanje vode, vendar višja kot je viskoznost, višja je relativna molekulska masa celuloznega etra, kar ustrezno zmanjša njegovo topnost, kar negativno vpliva na koncentracijo malte in gradbene lastnosti. Višja kot je viskoznost, bolj očiten je učinek zgoščevanja malte, vendar to ni popolnoma sorazmerno razmerje. Čeprav je viskoznost nekoliko nižja, ima modificiran celulozni eter boljše lastnosti pri izboljšanju strukturne trdnosti mokre malte, z večjo viskoznostjo pa se izboljša zadrževanje vode v celuloznem etru.
Čas objave: 30. marec 2022