纖維素醚:高分子化合物-中文百科頻道

簡介

纖維素是一種既不溶解也不熔融的多羟基高分子化合物。纖維素經醚化後則能溶于水、稀堿溶液和有機溶劑，并具有熱塑性。廣泛用于懸浮法聚苯乙烯、乳液及乳膠塗料、日用化學品、油田鑽井、建築、紡織印染、造紙等行業

性質

經醚化後的纖維素溶解性能發生顯著變化，可溶解于水、稀酸、稀堿或有機溶劑，溶解度主要取決于三個因素：

（1）醚化過程中所引入基團的特性，引入的基團越大則溶解度越低，引入的基團極性越強，纖維素醚越易溶于水；

（2）取代度與醚化基團在大分子中的分布情況。大多數纖維素醚隻能在一定取代度條件下，才溶解于水，取代度在0～3之間；

（3）纖維素醚的聚合度，聚合度越高，越不易溶解；聚合度越低，能溶于水的取代度範圍越寬。纖維素醚類品種繁多，性能優良，廣泛用于建築、水泥、石油、食品、紡織、洗滌劑、塗料、醫藥、造紙及電子元件等工業。

分類

根據取代基的化學結構分類，可分為陰離子、陽離子和非離子型醚類。随所用醚化劑的不同而有甲基纖維素、羟乙基甲基纖維素、羧甲基纖維素、乙基纖維素、苄基纖維素、羟乙基纖維素、羟丙基甲基纖維素、氰乙基纖維素、苄基氰乙基纖維素、羧甲基羟乙基纖維素和苯基纖維素等。以甲基纖維素和乙基纖維素實用性較大。

甲基纖維素

甲基纖維素又名纖維素甲醚，簡稱MC(MethylCellulose的縮寫)，是一種長鍊取代纖維素。

将精制棉經堿處理後，以氯化甲烷作為醚化劑，經過一系列反應而制成纖維素醚。一般取代度為1.6~2.0，取代度不同溶解性也有不同。屬于非離子型纖維素醚。

（1）甲基纖維素可溶于冷水，熱水溶解會遇到困難，其水溶液在pH=3~12範圍内非常穩定。與澱粉、胍爾膠等以及許多表面活性劑相容性較好。當溫度達到凝膠化溫度時，會出現凝膠現象。

（2）甲基纖維素的保水性取決于其添加量、黏度、顆粒細度及溶解速度。一般添加量大，細度小，黏度大，則保水率高。其中添加量對保水率影響最大，黏度的高低與保水率的高低不成正比關系。溶解速度主要取決于纖維素顆粒表面改性程度和顆粒細度。在以上幾種纖維素醚中，甲基纖維素和羟丙基甲基纖維素保水率較高。

（3）溫度的變化會嚴重影響甲基纖維素的保水率。一般溫度越高，保水性越差。如果砂漿溫度超過40℃，甲基纖維素的保水性會明顯變差，嚴重影響砂漿的施工性。

（4）甲基纖維素對砂漿的施工性和黏結性有明顯影響。這裡的“黏結性”是指工人塗抹工具與牆體基材之間感到的黏結力，即砂漿的剪切阻力。黏着性大，砂漿的剪切阻力大，工人在使用過程中所需要的力量也大，砂漿的施工性就差。在纖維素醚産品中甲基纖維素黏結力處于中等水平。

羟丙基甲基纖維素

羟丙基甲基纖維素是産量、用量都在迅速增加的纖維素品種。是由精制棉經堿化處理後，用環氧丙烷和氯甲烷作為醚化劑，通過一系列反應而制成的非離子型纖維素混合醚。取代度一般為1.2~2.0.其性質受甲氧基含量和羟丙基含量的比例不同而有差别。

（1）羟丙基甲基纖維素易溶于冷水，熱水溶解會遇到困難。但它在熱水中的凝膠化溫度要明顯高于甲基纖維素。在冷水中的溶解情況，較甲基纖維素也有大的改善。

（2）羟丙基甲基纖維素的黏度與其分子量的大小有關，分子量大則黏度高。溫度同樣會影響其黏度，溫度升高，黏度下降。但其黏度高溫度的影響比甲基纖維素低。其溶液在室溫下儲存是穩定的。

（3）羟丙基甲基纖維素的保水性取決于其添加量、黏度等，其相同添量下的保水率高于甲基纖維素。

（4）羟丙基甲基纖維素對酸、堿具有穩定性，其水溶液在pH=2~12範圍内非常穩定。苛性鈉和石灰水，對其性能也沒有太大影響，但堿能加快其溶解速度，并對黏度稍有提高。羟丙基甲基纖維素對一般鹽類具有穩定性，但鹽溶液濃度高時，羟丙基甲基纖維素溶液黏度有增高的傾向。

（5）羟丙基甲基纖維素可與水溶性高分子化合物混用而成為均勻、黏度更高的溶液。如聚乙烯醇、澱粉醚、植物膠等。

（6）羟丙基甲基纖維素比甲基纖維素具有更好的抗酶性，其溶液酶降解的可能性低于甲基纖維素。

（7）羟丙基甲基纖維素對砂漿施工的黏結性要高于甲基纖維素。

羟乙基纖維素

羟乙基纖維素是一種常用的纖維素醚類有機水性油墨增稠劑，屬于水溶性非離子型化合物。

由精制棉經堿處理後，在異丙醇的存在下，用環氧乙烷作醚化劑進行反應而制成。其取代度一般為1.5~2.0.具有較強的親水性，易于吸潮。

（1）羟乙基纖維素可溶于冷水中，熱水溶解較為困難。其溶液在高溫下穩定，不具有凝膠性。在砂漿中高溫下可使用時間較長，但保水性較甲基纖維素低。

（2）羟乙基纖維素對一般酸堿都具有穩定性，堿能加快其溶解，并對黏度略有提高，其在水中分散性比甲基纖維素和羟丙基甲基纖維素略差。

（3）羟乙基纖維素對砂漿抗垂挂有好的性能，但對水泥的緩凝時間較長。

（4）國内一些企業生産的羟乙基纖維素，因含水量大，灰分高而導緻其性能明顯低于甲基纖維素。

（5）羟乙基纖維素的水溶液黴變性比較嚴重，在40℃左右的溫度下，3~5天可發生黴變，影響它的使用性能。

羧甲基纖維素

由天然纖維（棉、等）經過堿處理後，用一氯醋酸鈉作為醚化劑，經過一系列反應處理而制成離子型纖維素醚。其取代度一般為0.4~1.4，其性能受取代度影響較大。

（1）羧甲基纖維素吸濕性較大，一般條件儲存會含有較大水分。

（2）羧甲基纖維素水溶液不會産生凝膠，随溫度升高而黏度下降，溫度超過50℃時，黏度不可逆。

（3）其穩定性受pH影響較大。一般可用于石膏基砂漿中，不能用于水泥基砂漿中。在高堿性時，會失去黏度。

（4）其保水性遠遠低于甲基纖維素。對石膏基砂漿有緩凝作用，并降低其強度。但羧甲基纖維素價格明顯低于甲基纖維素。

纖維素烷基醚

有代表性的為甲基纖維素和乙基纖維素。工業生産一般以氯甲烷或氯乙烷為醚化劑，反應如下：

式中R代表CH3或C2H5。堿濃度不僅影響醚化度，而且對烷基鹵化物的消耗也有影響。堿濃度愈低，烷基鹵化物水解愈烈。為減少醚化劑的消耗，必須提高堿濃度。但堿濃度過高時，使纖維素的溶脹作用降低，不利于醚化反應，醚化度因之降低。為此，可在反應過程中添加濃堿液或固體堿。反應器應具有良好的攪拌和撕裂裝置，使堿能均勻分布。

甲基纖維素廣泛用作增稠劑、膠粘劑和保護膠體等。也可用作乳液聚合的分散劑、種子的粘合分散劑、紡織漿料、食品和化妝品的添加劑、醫藥膠粘劑、藥物包衣材料和用于乳膠漆、印刷油墨、陶瓷生産，以及混入水泥中用以控制凝固時間和增加初期強度等。

乙基纖維素制品有較高的機械強度、柔韌性、耐熱性和抗寒性。低取代乙基纖維素可溶于水和稀堿溶液，高取代産品可溶于大多數有機溶劑。它與各種樹脂和增塑劑都有很好的相容性。可用于制造塑料、薄膜、清漆、膠粘劑、乳膠和藥物的包衣材料等。

向纖維素烷基醚内引入羟烷基可改善其溶解性，降低它對鹽析的敏感性，提高凝膠化溫度和改善熱熔性等。上述性質的改變程度随取代基性質和烷基與羟烷基的比例而異。

纖維素羟烷基醚

有代表性的為羟乙基纖維素和羟丙基纖維素。醚化劑為環氧化物，如環氧乙烷和環氧丙烷。用酸或堿為催化劑。工業生産是使堿纖維素與醚化劑反應：高取代值的羟乙基纖維素既溶于冷水，也溶于熱水。高取代值的羟丙基纖維素隻溶于冷水而不溶于熱水。羟乙基纖維素可用作膠乳塗料的增稠劑、紡織印染漿料、造紙膠料、膠粘劑和保護膠體等。羟丙基纖維素的用途與羟乙基纖維素相似，低取代值的羟丙基纖維素可用作醫藥賦形劑，可兼備粘合和崩解兩種性能。

羧甲基纖維素，英文縮寫CMC，一般以鈉鹽的形式存在。醚化劑為一氯乙酸，反應如下：

羧甲基纖維素是一種應用最廣的水溶性纖維素醚。過去主要用作鑽井泥漿，現已擴展到用作洗滌劑的添加劑、衣物漿料、乳膠漆、紙闆和紙的塗層等。純制的羧甲基纖維素可用于食品、醫藥、化妝品，還可作為陶瓷和鑄模的膠粘劑。

聚陰離子纖維素（PAC）屬離子型纖維素醚類，是羧甲基纖維素（CMC）的高端替代産品。是一種白色、類白色或微黃色的粉末或顆粒，無毒、無味，易溶解于水，形成具有一定粘度的透明溶液，具有更好的耐熱穩定性和耐鹽性，抗菌性強，不發黴變質。具有高純度、高取代度、取代基分布均勻等特點。可作為粘結劑、增稠劑、流變調節劑、降失水劑、懸浮穩定劑等。聚陰離子纖維素（PAC）廣泛應用于CMC可應用的所有行業，可大幅減少用量，方便使用，提供更好的穩定性能和滿足更高的工藝要求。

氰乙基纖維素，是在堿的催化下，纖維素與丙烯腈反應的生成物：

氰乙基纖維素具有高介電常數(ε＝35～38)的獨特性能，高取代度的氰乙基纖維素還具有高防水性、高絕緣性和自熄性等特點，并具有良好的液晶行為。

氰乙基纖維素介電常數高，損耗系數低，可用作磷和電發光燈具的樹脂基質。低取代的氰乙基纖維素可作變壓器的絕緣紙。

纖維素的高級脂肪醇醚、烯基醚和芳香醇醚等均已制得，但未獲實際應用。

纖維素醚的制備方法可以分為水媒法、溶媒法、捏合法、於漿法、氣固法、液相法以及以上幾種方法的組合工藝。

制備原理

将高α-纖維素漿粕用堿溶液浸漬使之溶脹，以破壞較多的氫鍵，便于試劑擴散并生成堿纖維素，然後再與醚化劑反應，即可制得纖維素醚。醚化劑有烴基鹵化物（或硫酸酯）、環氧化物和具有受電子體的α、β不飽和化合物等。

應用

外加劑對建築幹混砂漿性能的改善具有關鍵性作用，在幹混砂漿中占材料成本40%以上。國内市場相當一部分外加劑由國外制造商供應，産品的參考用量也由供應商提供。由此導緻了幹混砂漿産品成本居高不下，量大面廣的普通砌築和抹灰砂漿推廣困難。高端市場産品由國外公司控制，幹混砂漿生産廠商利潤低，價格承受能力差;外加劑的應用缺乏系統性、針對性研究，盲從國外配方。

保水劑是改善幹混砂漿保水性能的關鍵外加劑，也是決定幹混砂漿材料成本的關鍵外加劑之一。纖維素醚的主要作用就是保水。

纖維素醚是堿纖維素與醚化劑在一定條件下反應生成一系列産物的總稱。堿纖維素被不同的醚化劑取代而得到不同的纖維素醚。按取代基的電離性能，纖維素醚可分為離子型(如羧甲基纖維素）和非離子型（如甲基纖維素）兩大類。按取代基的種類，纖維素醚可分為單醚（如甲基纖維素）和混合醚（如羟丙基甲基纖維素）。按可溶解性不同，可分為水溶性（如羟乙基纖維素）和有機溶劑溶解性（如乙基纖維素）等。幹混砂漿主要用水溶性纖維素，水溶性纖維素又分為速溶型和經過表面處理的延遲溶解型。

纖維素醚在砂漿中的作用機理如下：

（1）砂漿内的纖維素醚在水中溶解後，由于表面活性作用保證了膠凝材料在體系中有效地均勻分布，而纖維素醚作為一種保護膠體，“包裹”住固體顆粒，并在其外表面形成一層潤滑膜，使砂漿體系更穩定，也提高了砂漿在攪拌過程的流動性和施工的滑爽性。

（2）纖維素醚溶液由于自身分子結構特點，使砂漿中的水分不易失去，并在較長的一段時間内逐步釋放，賦予砂漿良好的保水性和工作性。