Целюлозний ефір – це синтетичний полімер, отриманий з природної целюлози як сировини шляхом хімічної модифікації. Целюлозний ефір є похідною природної целюлози, виробництво ефіру целюлози та синтетичного полімеру відрізняється, його найосновнішим матеріалом є целюлоза, природна полімерна сполука. Через особливості структури природної целюлози, сама целюлоза не здатна реагувати з етерифікуючим агентом. Але після обробки агентом, що набухає, міцні водневі зв'язки між молекулярними ланцюгами та ланцюгами руйнуються, а активність гідроксильної групи вивільняється в лужну целюлозу з реакційною здатністю, і целюлозний ефір утворюється в результаті реакції етерифікуючого агента — OH-групи на — OR-групу.
Властивості ефірів целюлози залежать від типу, кількості та розподілу замісників. Класифікація ефірів целюлози також базується на типі замісників, ступені етерифікації, розчинності та відповідному застосуванні. За типом замісників у молекулярному ланцюзі їх можна розділити на одиничні ефіри та змішані ефіри. MC зазвичай використовується як одиничний ефір, тоді як HPmc - як змішаний ефір. Ефір метилцелюлози MC - це природна целюлозна глюкозна одиниця, гідроксильна група якої заміщена метоксидом, структурна формула продукту [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X, гідроксипропілметилцелюлозний ефір HPmc - це одиниця, гідроксильна група якої заміщена метоксидом, а інша частина гідроксипропілового продукту заміщена. Структурна формула [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3)M [OCH2CH (OH) CH3]N] X, а гідроксиетилметилцелюлозний ефір HEmc широко використовується та продається на ринку.
За розчинністю їх можна розділити на іонні та неіонні. Водорозчинні неіонні ефіри целюлози в основному складаються з алкілових ефірів та гідроксилалкілових ефірів двох серій різновидів. Іонний CMC в основному використовується в синтетичних мийних засобах, текстильній, поліграфічній, харчовій та нафтовій промисловості. Неіонні MC, HPMC, HEmc та інші в основному використовуються в будівельних матеріалах, латексних покриттях, медицині, повсякденній хімії та інших аспектах. Як загусник, вологоутримуючий агент, стабілізатор, диспергатор, плівкоутворювач.
Утримання води целюлозним ефіром
У виробництві будівельних матеріалів, особливо сухих розчинів, целюлозний ефір відіграє незамінну роль, особливо у виробництві спеціальних розчинів (модифікованих розчинів), є незамінною частиною.
Важлива роль водорозчинного ефіру целюлози в розчині має три аспекти: перший - це чудова здатність утримувати воду, другий - вплив консистенції розчину та тиксотропії, а третій - взаємодія з цементом.
Водоутримання целюлозним ефіром залежить від гідроскопічності, складу розчину, товщини шару розчину, водопотреби розчину, часу конденсації конденсаційного матеріалу. Водоутримання целюлозного ефіру зумовлене розчинністю та дегідратацією самого целюлозного ефіру. Загальновідомо, що молекулярні ланцюги целюлози, хоча й містять велику кількість високогідратованих ОН-груп, нерозчинні у воді через їхню висококристалічну структуру. Гідратаційної здатності гідроксильних груп недостатньо, щоб компенсувати міцні міжмолекулярні водневі зв'язки та сили Ван-дер-Ваальса. Коли в молекулярний ланцюг вводяться замісники, не тільки замісники руйнують водневий ланцюг, але й міжланцюгові водневі зв'язки розриваються через вклинення замісників між сусідніми ланцюгами. Чим більші замісники, тим більша відстань між молекулами. Чим більше ефект руйнування водневих зв'язків, тим більше розширення решітки целюлози, тим розчин у целюлозному ефірі стає водорозчинним, утворюючи розчин з високою в'язкістю. Зі зростанням температури гідратація полімеру зменшується, і вода між ланцюгами витісняється. Коли дегідратуючий ефект достатній, молекули починають агрегувати, і гель згортається у тривимірну мережу. Фактори, що впливають на водоутримування розчину, включають в'язкість целюлозного ефіру, дозування, дисперсію частинок та температуру експлуатації.
Чим вища в'язкість целюлозного ефіру, тим краща водоутримувальна здатність, в'язкість полімерного розчину. Молекулярна маса (ступінь полімеризації) полімеру також визначається довжиною та морфологією молекулярної структури ланцюга, а розподіл кількості замісників безпосередньо впливає на діапазон в'язкості. [eta] = Kmα
Власна в'язкість полімерних розчинів
Молекулярна маса полімеру M
α-полімерна характеристична константа
Коефіцієнт розчину в'язкості K
В'язкість полімерного розчину залежить від молекулярної маси полімеру. В'язкість та концентрація розчинів целюлозних ефірів пов'язані з різними застосуваннями. Тому кожен целюлозний ефір має багато різних характеристик в'язкості, регулювання в'язкості також здійснюється головним чином шляхом розкладання лужної целюлози, а саме шляхом розриву молекулярного ланцюга целюлози.
Що стосується розміру частинок, то чим дрібніша частинка, тим краще утримує воду. Великі частинки целюлозного ефіру, контактуючи з водою, миттєво розчиняються на поверхні та утворюють гель, який огортає матеріал, запобігаючи подальшому проникненню молекул води. Іноді тривале перемішування не дозволяє рівномірно розподілити розчин, утворюючи каламутний флокулянтний розчин або агломерат. Розчинність целюлозного ефіру є одним із факторів вибору целюлозного ефіру.
Загущення та тиксотропія целюлозного ефіру
Другий ефект дії ефіру целюлози – загущення – залежить від: ступеня полімеризації ефіру целюлози, концентрації розчину, швидкості зсуву, температури та інших умов. Властивість гелеутворення розчину є унікальною для алкілцелюлози та її модифікованих похідних. Характеристики гелеутворення пов'язані зі ступенем заміщення, концентрацією розчину та добавками. Для гідроксиалкілмодифікованих похідних властивості гелю також пов'язані зі ступенем модифікації гідроксиалкілу. Для розчину з низькою в'язкістю можна приготувати розчин 10%-15% концентрації, для MC та HPMC середньої в'язкості – 5%-10% розчин, а для MC та HPMC високої в'язкості – лише 2%-3% розчин, і зазвичай в'язкість ефіру целюлози також градієнтна на 1%-2% розчин. Ефективність загусника на основі ефіру целюлози з високою молекулярною масою, при однаковій концентрації розчину, полімери з різною молекулярною масою мають різну в'язкість, в'язкість та молекулярну масу можна виразити наступним чином: [η] = 2,92 × 10-2 (DPn) = 0,905, де DPn – середній ступінь полімеризації з високим вмістом. Для досягнення цільової в'язкості потрібно додати більше ефіру целюлози з низькою молекулярною масою. Його в'язкість менше залежить від швидкості зсуву, для досягнення цільової в'язкості потрібно додати меншу кількість розчину, а в'язкість залежить від ефективності загущення. Тому для досягнення певної консистенції необхідно забезпечити певну кількість целюлозного ефіру (концентрацію розчину) та в'язкість розчину. Температура гелеутворення розчину лінійно знижується зі збільшенням концентрації розчину, і гелеутворення відбувається при кімнатній температурі після досягнення певної концентрації. HPMC має високу концентрацію гелеутворення при кімнатній температурі.
Консистенцію також можна регулювати, вибираючи розмір частинок та ефіри целюлози з різним ступенем модифікації. Так звана модифікація - це введення гідроксиалкільної групи з певним ступенем заміщення в скелетну структуру целюлози. Змінюючи відносні значення заміщення двох замісників, тобто відносні значення заміщення метокси- та гідроксильних груп DS та MS, необхідно досягти різних властивостей ефіру целюлози шляхом зміни відносних значень заміщення двох видів замісників.
Зв'язок між консистенцією та модифікацією. На рисунку 5 додавання целюлозного ефіру впливає на водоспоживання розчину та змінює співвідношення вода-в'яжуча речовина між водою та цементом, що призводить до загущення. Чим вище дозування, тим більше водоспоживання.
Целюлозні ефіри, що використовуються в порошкоподібних будівельних матеріалах, повинні швидко розчинятися в холодній воді та забезпечувати системі потрібну консистенцію. Якщо задана швидкість зсуву все ще є флокулюючою та колоїдною, це неякісний продукт.
Також існує хороша лінійна залежність між консистенцією цементного розчину та дозуванням ефіру целюлози, ефір целюлози може значно збільшити в'язкість розчину, чим більше дозування, тим очевидніший ефект.
Водний розчин целюлозного ефіру з високою в'язкістю має високу тиксотропію, що є однією з характеристик целюлозного ефіру. Водні розчини полімерів типу Mc зазвичай мають псевдопластичну, нетиксотропну плинність нижче температури гелю, але ньютонівські властивості плинності при низьких швидкостях зсуву. Псевдопластичність зростає зі збільшенням молекулярної маси або концентрації целюлозного ефіру та не залежить від типу та ступеня замісника. Тому целюлозні ефіри одного класу в'язкості, будь то MC, HPmc або HEmc, завжди демонструють однакові реологічні властивості, якщо концентрація та температура залишаються постійними. При підвищенні температури утворюється структурний гель і виникає висока тиксотропна плинність. Целюлозні ефіри з високою концентрацією та низькою в'язкістю демонструють тиксотропію навіть нижче температури гелю. Ця властивість є великою перевагою для будівництва будівельного розчину для регулювання його плинності та властивостей зависання при плинності. Тут слід пояснити, що чим вища в'язкість целюлозного ефіру, тим краще утримування води, але чим вища в'язкість, тим вища відносна молекулярна маса целюлозного ефіру, що відповідно зменшує його розчинність, що негативно впливає на концентрацію розчину та будівельні характеристики. Чим вища в'язкість, тим очевидніший ефект загущення розчину, але це не повністю пропорційна залежність. Деякі низьков'язкі, але модифікований ефір целюлози має кращі характеристики для покращення структурної міцності вологого розчину, зі збільшенням в'язкості покращується утримання води ефіром целюлози.
Час публікації: 30 березня 2022 р.