Celluloseether ist ein synthetisches Polymer, das durch chemische Modifizierung aus natürlicher Cellulose als Rohstoff hergestellt wird. Celluloseether ist ein Derivat natürlicher Cellulose. Die Herstellung von Celluloseether unterscheidet sich von synthetischem Polymer. Sein Grundstoff ist Cellulose, eine natürliche Polymerverbindung. Aufgrund der besonderen Struktur natürlicher Cellulose reagiert Cellulose selbst nicht mit Veretherungsmitteln. Durch die Behandlung mit einem Quellmittel werden jedoch die starken Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülketten zerstört, wodurch die Aktivität der Hydroxylgruppen in der reaktionsfähigen Alkalicellulose freigesetzt wird. Durch die Reaktion der Veretherungsmittel – OH-Gruppen – mit OR-Gruppen entsteht Celluloseether.
Die Eigenschaften von Celluloseethern hängen von Art, Anzahl und Verteilung der Substituenten ab. Die Klassifizierung von Celluloseethern basiert ebenfalls auf der Art der Substituenten, dem Veretherungsgrad, der Löslichkeit und der jeweiligen Anwendung. Je nach Art der Substituenten an der Molekülkette unterscheidet man zwischen Einfachether und Mischether. MC wird üblicherweise als Einfachether verwendet, während HPmc ein Mischether ist. Methylcelluloseether MC ist eine natürliche Cellulose-Glucose-Einheit, bei der ein Teil der Hydroxylgruppe durch Methoxid ersetzt wird, und das Produkt hat die Strukturformel [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X. Bei Hydroxypropylmethylcelluloseether HPmc wird ein Teil der Hydroxylgruppe durch Methoxid ersetzt, ein anderer Teil durch Hydroxypropylmethylcelluloseether. Die Strukturformel lautet [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] X. Hydroxyethylmethylcelluloseether HEmc wird häufig verwendet und auf dem Markt verkauft.
Aufgrund ihrer Löslichkeit kann zwischen ionischen und nichtionischen Celluloseethern unterschieden werden. Wasserlösliche nichtionische Celluloseether bestehen hauptsächlich aus zwei Sorten Alkylether und Hydroxyalkylether. Ionische Celluloseether werden hauptsächlich in synthetischen Waschmitteln, in der Textil-, Druck-, Lebensmittel- und Erdölindustrie eingesetzt. Nichtionische Celluloseether, wie MC, HPmc und HEmc, werden hauptsächlich in Baustoffen, Latexbeschichtungen, der Medizin, der Alltagschemie und anderen Bereichen eingesetzt. Sie dienen als Verdickungsmittel, Wasserrückhaltemittel, Stabilisator, Dispergiermittel und Filmbildner.
Wasserretention durch Celluloseether
Bei der Herstellung von Baustoffen, insbesondere von Trockenmörtel, spielt Celluloseether eine unersetzliche Rolle, insbesondere bei der Herstellung von Spezialmörtel (modifiziertem Mörtel) ist er ein unverzichtbarer Bestandteil.
Die wichtige Rolle des wasserlöslichen Celluloseethers in Mörtel hat hauptsächlich drei Aspekte: Erstens die ausgezeichnete Wasserrückhaltefähigkeit, zweitens der Einfluss auf die Mörtelkonsistenz und Thixotropie und drittens die Wechselwirkung mit Zement.
Die Wasserretention von Celluloseether hängt von der Hygroskopizität, der Mörtelzusammensetzung, der Mörtelschichtdicke, dem Wasserbedarf des Mörtels und der Kondensationszeit des Kondensationsmaterials ab. Die Wasserretention von Celluloseether beruht auf der Löslichkeit und Dehydratation des Celluloseethers selbst. Es ist bekannt, dass Cellulosemolekülketten, obwohl sie eine große Zahl stark hydratisierter OH-Gruppen enthalten, aufgrund ihrer hochkristallinen Struktur in Wasser unlöslich sind. Die Hydratisierungsfähigkeit von Hydroxygruppen allein reicht nicht aus, um die starken intermolekularen Wasserstoffbrücken und Van-der-Waals-Kräfte auszugleichen. Wenn Substituenten in die Molekülkette eingeführt werden, zerstören nicht nur diese Substituenten die Wasserstoffkette, sondern auch die Wasserstoffbrücken zwischen den Ketten werden aufgebrochen, weil sich die Substituenten zwischen benachbarten Ketten verkeilen. Je größer die Substituenten sind, desto größer ist der Abstand zwischen den Molekülen. Je stärker die Wasserstoffbrücken zerstört werden, desto mehr dehnt sich das Cellulosegitter aus, und die Lösung im Celluloseether wird wasserlöslich, und es entsteht eine Lösung mit hoher Viskosität. Mit steigender Temperatur nimmt die Hydratisierung des Polymers ab, und das Wasser zwischen den Ketten wird verdrängt. Bei ausreichender Dehydratationswirkung beginnen die Moleküle zu aggregieren, und das Gel faltet sich zu einem dreidimensionalen Netzwerk zusammen. Zu den Faktoren, die die Wasserretention von Mörtel beeinflussen, gehören die Viskosität des Celluloseethers, die Dosierung, die Partikelfeinheit und die Betriebstemperatur.
Je höher die Viskosität des Celluloseethers, desto besser ist die Wasserrückhalteleistung und damit die Viskosität der Polymerlösung. Das Molekulargewicht (Polymerisationsgrad) des Polymers wird auch durch die Länge und Morphologie der Molekülstruktur der Kette bestimmt, und die Verteilung der Anzahl der Substituenten beeinflusst direkt den Viskositätsbereich. [eta] = Km alpha
Intrinsische Viskosität von Polymerlösungen
M Polymermolekulargewicht
α Polymer-Charakteristikkonstante
K Viskositätslösungskoeffizient
Die Viskosität einer Polymerlösung hängt vom Molekulargewicht des Polymers ab. Viskosität und Konzentration von Celluloseetherlösungen hängen von verschiedenen Anwendungen ab. Daher weist jeder Celluloseether viele unterschiedliche Viskositätsspezifikationen auf. Die Viskositätsregulierung erfolgt hauptsächlich durch den Abbau von Alkalicellulose, d. h. durch den Bruch der Cellulosemolekülkette.
Bei der Partikelgröße gilt: Je feiner die Partikel, desto besser die Wasserretention. Große Celluloseether-Partikel lösen sich bei Kontakt mit Wasser sofort an der Oberfläche auf und bilden ein Gel, das das Material umhüllt und das weitere Eindringen von Wassermolekülen verhindert. Manchmal kann sich die Lösung auch bei längerem Rühren nicht gleichmäßig verteilen, und es bilden sich schlammige, flockige Lösungen oder Agglomerate. Die Löslichkeit von Celluloseether ist einer der Faktoren bei der Auswahl des richtigen Celluloseethers.
Verdickung und Thixotropie von Celluloseether
Der zweite Effekt von Celluloseether – die Verdickung – hängt von folgendem ab: Polymerisationsgrad des Celluloseethers, Lösungskonzentration, Schergeschwindigkeit, Temperatur und anderen Bedingungen. Die Gelierungseigenschaft der Lösung ist einzigartig bei Alkylcellulose und ihren modifizierten Derivaten. Die Gelierungseigenschaften hängen vom Substitutionsgrad, der Lösungskonzentration und den Additiven ab. Bei hydroxylalkylmodifizierten Derivaten hängen die Geleigenschaften auch vom Grad der Hydroxylalkylmodifizierung ab. Für MC und HPmc mit niedriger Viskosität können Lösungen mit einer Konzentration von 10–15 %, für MC und HPmc mit mittlerer Viskosität Lösungen mit einer Konzentration von 5–10 % und für MC und HPmc mit hoher Viskosität nur Lösungen mit 2–3 % hergestellt werden. Die Viskosität von Celluloseether variiert normalerweise auch zwischen 1 und 2 %. Wirksamkeit von Celluloseether mit hohem Molekulargewicht als Verdickungsmittel. Bei gleicher Lösungskonzentration haben Polymere mit unterschiedlichem Molekulargewicht unterschiedliche Viskositäten. Viskosität und Molekulargewicht lassen sich wie folgt ausdrücken: [η] = 2,92 × 10-2 (DPn) 0,905, wobei DPn der durchschnittliche Polymerisationsgrad ist. Um die Zielviskosität zu erreichen, muss mehr Celluloseether mit niedrigem Molekulargewicht hinzugefügt werden. Seine Viskosität hängt weniger von der Schergeschwindigkeit ab. Um die Zielviskosität zu erreichen, muss bei hoher Viskosität weniger hinzugefügt werden. Die Viskosität hängt von der Wirksamkeit der Verdickung ab. Deshalb müssen zum Erreichen einer bestimmten Konsistenz eine bestimmte Menge Celluloseether (Lösungskonzentration) und eine bestimmte Lösungsviskosität gewährleistet sein. Die Gelierungstemperatur der Lösung sinkt linear mit der Erhöhung der Lösungskonzentration, und nach Erreichen einer bestimmten Konzentration tritt bei Raumtemperatur eine Gelierung ein. HPmc hat bei Raumtemperatur eine hohe Gelierungskonzentration.
Die Konsistenz kann auch durch die Wahl der Partikelgröße und unterschiedlich modifizierter Celluloseether angepasst werden. Die sogenannte Modifikation ist die Einführung einer Hydroxyalkylgruppe in einem bestimmten Substitutionsgrad in die Skelettstruktur von MC. Durch Änderung der relativen Substitutionswerte der beiden Substituenten, d. h. der relativen Substitutionswerte DS und MS von Methoxy- und Hydroxygruppen, werden verschiedene Eigenschaften des Celluloseethers erreicht.
Der Zusammenhang zwischen Konsistenz und Modifikation. In Abbildung 5 beeinflusst die Zugabe von Celluloseether den Wasserverbrauch des Mörtels und verändert das Wasser-Bindemittel-Verhältnis von Wasser und Zement, was den Verdickungseffekt bewirkt. Je höher die Dosierung, desto höher der Wasserverbrauch.
Celluloseether, die in pulverförmigen Baustoffen verwendet werden, müssen sich in kaltem Wasser schnell auflösen und dem System die richtige Konsistenz verleihen. Wenn bei einer bestimmten Scherrate immer noch flockig und kolloidal reagiert wird, handelt es sich um ein minderwertiges Produkt.
Es besteht auch eine gute lineare Beziehung zwischen der Konsistenz der Zementschlämme und der Dosierung des Celluloseethers. Celluloseether kann die Viskosität des Mörtels erheblich erhöhen. Je höher die Dosierung, desto deutlicher ist der Effekt.
Wässrige Celluloseetherlösungen mit hoher Viskosität weisen eine hohe Thixotropie auf, die eine der Eigenschaften von Celluloseether ist. Wässrige Lösungen von Polymeren des Mc-Typs weisen unterhalb ihrer Geltemperatur üblicherweise eine pseudoplastische, nicht thixotrope Fluidität auf, jedoch newtonsche Fließeigenschaften bei niedrigen Schergeschwindigkeiten. Die Pseudoplastizität steigt mit zunehmendem Molekulargewicht oder zunehmender Konzentration des Celluloseethers und ist unabhängig von Art und Grad der Substituenten. Daher zeigen Celluloseether der gleichen Viskositätsklasse – ob MC, HPmc oder HEmc – immer die gleichen rheologischen Eigenschaften, solange Konzentration und Temperatur konstant bleiben. Bei steigender Temperatur bildet sich ein Strukturgel und es kommt zu einem stark thixotropen Fließen. Celluloseether mit hoher Konzentration und niedriger Viskosität weisen sogar unterhalb der Geltemperatur eine Thixotropie auf. Diese Eigenschaft ist bei der Herstellung von Baumörtel von großem Nutzen, um dessen Fließ- und Fließfähigkeit anzupassen. Es muss hier erklärt werden, dass die Wasserretention umso besser ist, je höher die Viskosität von Celluloseether ist. Gleichzeitig steigt jedoch auch das relative Molekulargewicht des Celluloseethers, was seine Löslichkeit verringert, was sich negativ auf die Mörtelkonzentration und die Bauleistung auswirkt. Je höher die Viskosität, desto deutlicher ist die Verdickungswirkung des Mörtels, es besteht jedoch keine vollständig proportionale Beziehung. Einige niedrigviskose, aber modifizierte Celluloseether verbessern die strukturelle Festigkeit von Nassmörtel und weisen eine bessere Leistung auf. Mit zunehmender Viskosität verbessert sich die Wasserretention des Celluloseethers.
Veröffentlichungszeit: 30. März 2022