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全面綜合講解羥丙基甲基纖維素
 2020-09-02 山東美凱化工科技有限公司

全面綜合講解羥丙基甲基纖維素

羥丙基甲基纖維素是以天然纖維素為原料,經化學改性制得的合成型高分子聚合物。羥丙基甲基纖維素是天然纖維素的衍生物,羥丙基甲基纖維素生產與合成聚合物不同,它的基本的材料是纖維素,天然的高分子化合物。由于天然纖維素結構的特殊性,纖維素本身沒有與醚化劑反應的能力。但經過溶脹劑的處理,在分子鏈間和鏈內強大的氫鍵遭到破壞,羥基的活性釋放變成具有反應能力的堿纖維素,在經過醚化劑反應—OH基轉成—OR基得到羥丙基甲基纖維素。

羥丙基甲基纖維素生產工藝

 

羥丙基甲基纖維素的性質取決于取代基的種類,數量和分布。而羥丙基甲基纖維素的分類也是根據取代基的種類,醚化程度,溶解性能及相關應用性能來分類的。按分子鏈上取代基類型,可分為單醚和混合醚,我們常用的MC為單醚,HPMC則為混合醚。甲基羥丙基甲基纖維素MC是天然纖維素葡萄糖單元上的羥基被甲氧基取代后的產物結構式為[C O H7O2(OH)3-h(OCH3)h ]x,羥丙基甲基羥丙基甲基纖維素HPMC是單元上的羥基一部分被甲氧基取代,另一部分被羥丙基取代得到的產物,結構式為[C6H7O2(OH)3-m-n(OCH3)m[OCH2CH(OH)CH3] n]x另外還有羥乙基甲基羥丙基甲基纖維素HEMC,這幾種是目前市場上應用和銷售的品種。

從溶解性能上又可分為離子型和非離子型。水溶性非離子型羥丙基甲基纖維素主要由烷基醚和羥烷基醚兩大系列品種組成。離子型CMC主要應用在合成洗滌劑紡織印染食品和石油開采方面。而非離子型MC,HPMC,HEMC等主要應用于建筑材料、乳膠涂料、醫藥、日用化學等方面。作為增稠劑、保水劑、穩定劑、分散劑、成膜劑使用。

 

 

羥丙基甲基纖維素的保水性:

在建筑材料干混砂漿的生產中,羥丙基甲基纖維素發揮著不可替代的作用,在特種砂漿(改性砂漿)的生產中,是不可缺少的組成部分。

水溶性羥丙基甲基纖維素在砂漿中的作用主要有三個方面,一是良好的保水能力,二是對砂漿稠度和觸變性的影響,三是與水泥的相互作用。

羥丙基甲基纖維素的保水作用,取決于基層的吸水性,砂漿的組成,砂漿的層厚,砂漿的需水量,凝結材料的凝結時間。就羥丙基甲基纖維素本身的保水性則來自于羥丙基甲基纖維素本身的溶解性和去水化作用。眾所周知,纖維素分子鏈雖然含有大量水化性很強的OH基,但其本身并不溶于水,這是因為纖維素結構有高度的結晶性。單靠羥基的水化能力還不足以支付分子間強大的氫鍵和范德華力。所以在水中溶脹不溶解,當分子鏈中引入取代基時,不但取代基破壞了氫鏈,而且因相鄰鏈間取代基楔入而破壞鏈間氫鍵,取代基越大拉開分子間距離越大。破壞氫鍵效應越大,纖維素晶格膨化后,溶液進入,羥丙基甲基纖維素成為水溶性,形成高粘度溶液。當溫度升高時,高分子水化作用減弱,而鏈間的水被逐出。當去水作用充分時,分子開始聚集,形成三維網狀結構凝膠折出。影響砂漿的保水性的因素包括羥丙基甲基纖維素粘度,添加量,顆粒細度和使用溫度。

羥丙基甲基纖維素的粘度越大保水性能越好,聚合物溶液的粘度。依賴于聚合物的分子量(聚合度)也由分子結構鏈長和鏈的形態決定,取代基的種類數量分布也直接影響它的粘度范圍。[η]=Kmα

[η]聚合物溶液的特性粘度

m ?聚合物分子量

α聚合物特性常數

K ?粘度溶液系數

聚合物溶液粘度取決于聚合物分子量的大小。羥丙基甲基纖維素溶液的粘度和濃度與各領域的應用有關。所以每種羥丙基甲基纖維素有許多不同的粘度規格,粘度的調節也主要通過堿纖維素的降解即纖維素分子鏈的斷裂來實現。羥丙基甲基纖維素在砂漿中的添加量越大,保水性能越好,粘度越高,保水性能越優。

對于顆粒尺寸,大顆粒的羥丙基甲基纖維素與水接觸后,表面立即溶解而形成凝膠將物料包裹起來阻止水分子繼續滲入,有時長時間攪拌也得不到均勻分散溶解,形成一種渾濁絮狀溶液或結塊。大大影響其羥丙基甲基纖維素的保水作用,溶解性則是選擇羥丙基甲基纖維素的要素之一。

羥丙基甲基纖維素的增稠與觸變性

羥丙基甲基纖維素第二個作用—增稠作用取決于:羥丙基甲基纖維素的聚合度,溶液濃度,剪切速率,溫度等條件。溶液的凝膠化特性是烷基纖維素和它的改性衍生物所獨有的性質。凝膠化特性與取代度,溶液濃度和添加劑有關。對于羥烷基改性衍生物,凝膠特性還與羥烷基的改性程度有關。對于溶液濃度低粘度的MC及HPMC可配制10%-15%濃度溶液,中等粘度MC及HPMC可配制5%-10%溶液而高粘度MC及HPMC只能配制2%-3%溶液,而通常羥丙基甲基纖維素的粘度分級也是以1%-2%溶液來分級的。高分子量羥丙基甲基纖維素增稠效率高,同一濃度溶液,不同分子量聚合物有不同的粘度,粘度和分子量之間可用下列表示,[η]=2.92×10-2(DPn)0.905,DPn是平均聚合度性高。低分子量羥丙基甲基纖維素加入量多才能達到目標粘度。其粘度對剪切速率依賴性小,高粘度達到目標粘度,所需加入量少,粘度的大小決定于增稠效率。所以要達到一定的稠度必須保證羥丙基甲基纖維素一定的加入量(溶液的濃度)和溶液粘度。溶液的凝膠溫度也隨著溶液的濃度增加而降低呈線性,到達一定濃度后室溫凝膠化。HPMC在室溫凝膠化濃度是較高的。

稠度還可以經過選擇顆粒尺寸和選擇不同改性程度的羥丙基甲基纖維素調節。所謂改性,就是在MC的骨架結構上引入一定取代程度的羥烷基。通過改變兩種取代基的相對取代值,也就是我們常說的甲氧基和羥烷基的DS和ms相對取代值。通過改變兩種取代基的相對取代值獲得羥丙基甲基纖維素的多種性能的要求。

從圖4可以看出稠度與改性關系。圖5中羥丙基甲基纖維素的加入影響砂漿的用水量改變了水與水泥的水膠比就是增稠效果,使摻量越高,用水量加大。

用于粉狀建筑材料的羥丙基甲基纖維素,必須在冷水中迅速溶解,并能提供給體系適宜的稠度。如果給與一定剪切速率仍成膠體塊狀這就是不合格或質量不好的產品。

 

水泥漿體稠度與羥丙基甲基纖維素的摻量也有著良好的線性關系,羥丙基甲基纖維素可以大大增加砂漿的粘稠度,摻量越大,效果越明顯,高粘度的羥丙基甲基纖維素水溶液具有高的觸變性,這也是羥丙基甲基纖維素的一大特性。MC類聚合物的水溶液在其凝膠溫度的以下通常具有假塑性,非觸變流動性,但在低剪切速率時呈牛頓型流動性質。假塑性隨羥丙基甲基纖維素分子量或濃度的增加而增大,與取代基類型和取代度無關。所以,相同粘度等級的羥丙基甲基纖維素,不管是MC,HPMC,HEMC,只要是濃度和溫度保持恒定,總表現出相同的流變性質。當溫度提高時形成結構凝膠,出現高觸變流動。高濃度低粘度的羥丙基甲基纖維素即使在凝膠溫度以下,也表現出觸變性。這一性質對建筑砂漿的施工調整其流平和流掛性是大有益處的。這里需要說明一點,羥丙基甲基纖維素的粘度越高,保水性越好,但粘度越高,羥丙基甲基纖維素相對分子量越高,其溶解性能相應降低,這對砂漿濃度和施工性能造成負面影響。粘度越高,對砂漿的增稠效果越明顯,但并不是完全的正比關系。一些中低粘度,但經過改性的羥丙基甲基纖維素在改善濕砂漿的結構強度有更加優異的表現,隨粘度的增加,羥丙基甲基纖維素保水性提高。

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