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纤维素醚的定义、分类、反应式及纤维素醚粘度与保水率的关系

纤维素醚是纤维素制成的具有醚结构的高分子化合物,纤维素大分子中每个葡萄糖基环含有三个羟 基,第六碳原子上的伯羟基、第二、三个碳原子上的仲羟基,羟基中的氢被烃基取代而生成纤维素醚类衍生 物。
根据取代基的化学结构分类,可分为阴离子、阳离子和非离子型醚类。 随所用醚化剂的不同而有甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、苄基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、氰乙基纤维素、苄基氰乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素和苯基纤维素等。以甲基纤维素和乙基纤维素实用性较大。

经醚化后的纤维素溶解性能发生显著变化,可溶解于水、稀酸、稀碱或有机溶剂,溶解度主要取决于 三个因素:(1)醚化过程中所引入基团的特性,引入的基团越大则溶解度越低,引入的基团极性越强,纤维素 醚越易溶于水;(2)取代度与醚化基团在大分子中的分布情况。大多数纤维素醚只能在一定取代度条件下,才 溶解于水,取代度在 0~3 之间;(3)纤维素醚的聚合度,聚合度越高,越不易溶解;聚合度越低,能溶于水 的取代度范围越宽。纤维素醚类品种繁多,性能优良,广泛用于建筑、水泥、石油、食品、纺织、洗涤剂、 涂料、医药、造纸及电子元件等工业。

是纤维素高分子中羟基的氢被烃基取代的生成物。纤维素是一种既不溶解也不熔融的多羟基高分子化 合物。纤维素经醚化后则能溶于水、稀碱溶液和有机溶剂,并具有热塑性。
纤维素烷基醚 有代表性的为甲基纤维素和乙基纤维素。工业生产一般以氯甲烷或氯乙烷为醚化剂, 反应如下:
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式中 R 代表 CH3 或 C2H5。碱浓度不仅影响醚化度, 而且对烷基卤化物的消耗也有影响。碱浓度愈低, 烷基卤化物水解愈烈。为减少醚化剂的消耗,必须提高碱浓度。但碱浓度过高时,使纤维素的溶胀作用降低, 不利于醚化反应,醚化度因之降低。为此,可在反应过程中添加浓碱液或固体碱。反应器应具有良好的搅拌 和撕裂装置,使碱能均匀分布。

甲基纤维素广泛用作增稠剂、胶粘剂和保护胶体等。也可用作乳液聚合的分散剂、种子的粘合分散剂、 纺织浆料、食品和化妆品的添加剂、医药胶粘剂、药物包衣材料和用于乳胶漆、印刷油墨、陶瓷生产,以及 混入水泥中用以控制凝固时间和增加初期强度等。

乙基纤维素制品有较高的机械强度、柔韧性、耐热性和抗寒性。低取代乙基纤维素可溶于水和稀碱溶 液,高取代产品可溶于大多数有机溶剂。它与各种树脂和增塑剂都有很好的相容性。可用于制造塑料、薄膜、 清漆、胶粘剂、乳胶和药物的包衣材料等。

向纤维素烷基醚内引入羟烷基可改善其溶解性,降低它对盐析的敏感性,提高凝胶化温度和改善热熔性等。
上述性质的改变程度随取代基性质和烷基与羟烷基的比例而异。

纤维素羟烷基醚 有代表性的为羟乙基纤维素和羟丙基纤维素。醚化剂为环氧化物,如环氧乙烷和环氧丙烷。 用酸或碱为催化剂。工业生产是使碱纤维素与醚化剂反应:

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高取代值的羟乙基纤维素既溶于冷水,也溶于热水。高取代值的羟丙基纤维素只溶于冷水而不溶于热水。 羟乙基纤维素可用作胶乳涂料的增稠剂、纺织印染浆料、造纸胶料、胶粘剂和保护胶体等。羟丙基纤维素的 用途与羟乙基纤维素相似,低取代值的羟丙基纤维素可用作医药赋形剂,可兼备粘合和崩解两种性能。
羧甲基纤维素 英文缩写 CMC,一般以钠盐的形式存在。醚化剂为一氯乙酸,反应如下:

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羧甲基纤维素是一种应用最广的水溶性纤维素醚。过去主要用作钻井泥浆,现在已扩展到用作洗涤剂的添加 剂、衣物浆料、乳胶漆、纸板和纸的涂层等。纯制的羧甲基纤维素可用于食品、医药、化妆品,还可作为陶 瓷和铸模的胶粘剂。‘

氰乙基纤维素 是在碱的催化下,纤维素与丙烯腈反应的生成物:

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氰乙基纤维素介电常数高,损耗系数低,可用作磷和电发光灯具的树脂基质。低取代的氰乙基纤维素可作变 压器的绝缘纸。
在干混砂浆中,纤维素醚用作增稠剂和保水剂。虽然纤维素醚的添加比例非常低(正常情况下为 0.02-0.7%), 但是是一种非常重要的添加剂。在所有添加剂中,纤维素醚和可再分散粉末一起使用能影响干混砂浆的特性。 在干混砂浆中使用的纤维素醚主要是早基羟乙基(MHEC)和甲基羟丙基纤维醚(MHPC),它们在干混砂浆的 市场份额至少为 90%。虽然今天真正的甲基纤维素醚的占有比例非常低,但是在俗语中仍旧将它们称为“甲 基纤维素醚”或者“MC”。其它在干混砂浆市场份额中占有小比例的相关纤维素醚为乙基羟乙基纤维素醚(EHEC) 和羟乙基纤维素醚(HEC)。因为羧甲基纤维素(钠)在存在钙离子的情况下不稳定,所以它只在极少数情况 下作为增稠剂使用。
大多数适用于干混砂浆的 MC 为粉状(这里的 MC 是指 MHEC 和 MHPC,因为这些特性均适合于这两种材料,我 们将其统称为 MC)。20-60%质量百分比的粒子尺寸小于 63 微米。干混砂浆中 MC 粒子分散在粘结剂和骨粒子 之间,避免了结块,这种结块仅在 MC 粉末直接倒入水中时才会发生。粗 MC 产品,通常将其归为粒状材料,很容易溶解在水中且不会结块,但是它们的溶解速度慢,不适合用于干混砂浆中。对于具有中性 PH 值的干混 砂浆,粒径不是决定 MC 溶解特性的唯一参数。某些牌号的 MC 的表面覆盖大量化学交联剂(用于降低溶解度), 造成颗粒只有在碱性条件下(例如由于水泥或熟石灰而产生)才能快速溶解。碱性使化学交联立即断裂并使 MC 迅速溶解在砂浆中。起初,具有延迟溶解特性的 MC 并不是专门为干混砂浆开发的,然而,现在他们广泛 用于干混砂浆领域中。
以纯溶液和湿砂浆中,MC 可以达到一定的粘度。高低粘度之间的差别可以在 2%水溶液中清楚地看到。MC 就 是通过在此浓度下测量的粘度确定其规格。此溶液的粘度变化范围在水状(粘度(粘度低于数百兆帕秒)和 胶状(粘度为数千兆帕秒)之间。不同的 MC 生产商采用不同的方法,包括:Haake Rotovisko, Hoppler,Ubbelohde 和 Brookfield 方法。对于同一产品,用不同的方法测得的粘度结果差别可能高达百分之 几百,因此在比较不同生产商的 MC 产品粘度时需要记住这一点。
纤维素醚在砂浆中的主要作用是改善操作性能,这一点被通俗地理解成了保水性,影响砂浆的保水性的因素 包括纤维素醚粘度,添加量,颗粒细度和使用温度。一般来说,黏度越高,保水效果越好。但黏度越高,MC 的分子量越高,其溶解性能就会相应降低,这对砂浆的强度和施工性能有负面的影响。黏度越高,对砂浆的 增稠效果越明显,但并不是正比的关系。黏度越高,湿砂浆会越黏,既施工时,表现为粘刮刀和对基材的黏 着性高。但对湿砂浆本身的结构强度的增加帮助不大。既施工时,表现为抗下垂性能不明显。相反,一些中 低黏度但经过改性的甲基纤维素醚则在改善湿砂浆的结构强度有优异的表现。 纤维素醚在砂浆中的添加量越大,保水性能越好,粘度越高,保水性能越优。
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粘度与保水率关系: 对于颗粒尺寸,颗粒越细保水性越好。大颗粒的纤维素醚与水接触后,表面立即溶解而形成凝胶将物料包裹 起来阻止水分子继续渗入,有时长时间搅拌也得不到均匀分散溶解,形成一种浑浊絮状溶液或结块。大大影 响其纤维素醚的保水作用,溶解性则是选择纤维素醚的要素之一。细度也是甲基纤维素醚的一个重要的性能 指标。用于干粉砂浆的 MC 要求为粉末,水含量低,而且细度也要求 20%~60%的粒径小于 63um。细度影响到甲 基纤维素醚的溶解性。较粗的 MC 通常为颗粒状,在水中很容易分数溶解而不结块,但溶解速度很慢,不宜在 干粉砂浆中使用。在干粉砂浆中,MC 分散于骨料、细填料和水泥等胶结材料之间,只有足够细的粉末才能避 免加水搅拌时出现甲基纤维素醚结块。当 MC 加水溶解结块后,在分散溶解就很困难。细度较粗的 MC 不但浪 费,而且会降低砂浆的局部强度,这样的干粉砂浆大面积施工时,就表现为局部干粉砂浆的固化速度明显降低,出现由于固化时间不同而造成的开裂。对于采用机械施工的喷射砂浆,由于搅拌的时间较短,对细度的 要求更高。

纤维素醚细度与粘度的关系
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纤维素醚的保水作用还取决于基层的吸水性,砂浆的组成,砂浆的层厚,砂浆的需水量,凝结材料的凝结时间。
综合来讲纤维素醚对于干混砂浆来讲致关重要。
 
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