羟乙基甲基纤维素HEMC和羟丙基甲基纤维素HPMC有什么区别，应用上有什么不同？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-06-02 06:06 标签： 羟丙基和羟乙基纤维素

　羟丙基甲基纤维素是以天然纤维素为原料，经化学改性制得的合成型高分子聚合物。羟丙基甲基纤维素是天然纤维素的衍生物，羟丙基甲基纤维素生产与合成聚合物不同，它的基本的材料是纤维素，天然的高分子化合物。由于天然纤维素结构的特殊性，纤维素本身没有与醚化剂反应的能力。但经过溶胀剂的处理，在分子链间和链内强大的氢键遭到破坏，羟基的活性释放变成具有反应能力的碱纤维素，在经过醚化剂反应—OH基转成—OR基得到羟丙基甲基纤维素。

　　 羟丙基甲基纤维素的性质取决于取代基的种类，数量和分布。而羟丙基甲基纤维素的分类也是根据取代基的种类，醚化程度，溶解性能及相关应用性能来分类的。按分子链上取代基类型，可分为单醚和混合醚，我们通常用的MC为单醚，HPMC则为混合醚。甲基羟丙基甲基纤维素MC是天然纤维素葡萄糖单元上的羟基被甲氧基取代后的产物结构式为[C O H7O2（OH）3-h（OCH3）h ]x，羟丙基甲基羟丙基甲基纤维素HPMC是单元上的羟基一部分被甲氧基取代，另一部分被羟丙基取代得到的产物，结构式为[C6H7O2（OH）3-m-n（OCH3）m[OCH2CH（OH）CH3] n]x另外还有羟乙基甲基羟丙基甲基纤维素HEMC，这几种是目前市场上广为应用和销售的主要品种。

　　　 从溶解性能上又可分为离子型和非离子型。水溶性非离子型羟丙基甲基纤维素主要由烷基醚和羟烷基醚两大系列品种组成。离子型CMC主要应用在合成洗涤剂纺织印染食品和石油开采方面。而非离子型MC，HPMC，HEMC等主要应用于建筑材料、乳胶涂料、医药、日用化学等方面。作为增稠剂、保水剂、稳定剂、分散剂、成膜剂使用。

羟丙基甲基纤维素的保水性：

　　　 在建筑材料特别是干混砂浆的生产中，羟丙基甲基纤维素发挥着不可替代的作用，特别是在特种砂浆（改性砂浆）的生产中，更是不可缺少的重要组成部分。

水溶性羟丙基甲基纤维素在砂浆中的重要作用主要有三个方面，一是优良的保水能力，二是对砂浆稠度和触变性的影响，三是与水泥的相互作用。

羟丙基甲基纤维素的保水作用，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。就羟丙基甲基纤维素本身的保水性则来自于羟丙基甲基纤维素本身的溶解性和去水化作用。众所周知，纤维素分子链虽然含有大量水化性很强的OH基，但其本身并不溶于水，这是因为纤维素结构有高度的结晶性。单靠羟基的水化能力还不足以支付分子间强大的氢键和范德华力。所以在水中只溶胀不溶解，当分子链中引入取代基时，不但取代基破坏了氢链，而且因相邻链间取代基楔入而破坏链间氢键，取代基越大拉开分子间距离越大。破坏氢键效应越大，纤维素晶格膨化后，溶液进入，羟丙基甲基纤维素成为水溶性，形成高粘度溶液。当温度升高时，高分子水化作用减弱，而链间的水被逐出。当去水作用充分时，分子开始聚集，形成三维网状结构凝胶折出。影响砂浆的保水性的因素包括羟丙基甲基纤维素粘度，添加量，颗粒细度和使用温度。

　　　 羟丙基甲基纤维素的粘度越大保水性能越好，聚合物溶液的粘度。依赖于聚合物的分子量（聚合度）也由分子结构链长和链的形态决定，取代基的种类数量分布也直接影响它的粘度范围。[η]=Kmα

[η]聚合物溶液的特性粘度

　　　 聚合物溶液粘度取决于聚合物分子量的大小。羟丙基甲基纤维素溶液的粘度和浓度与各领域的应用有关。所以每种羟丙基甲基纤维素有许多不同的粘度规格，粘度的调节也主要通过碱纤维素的降解即纤维素分子链的断裂来实现。羟丙基甲基纤维素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。

　　　 对于颗粒尺寸，大颗粒的羟丙基甲基纤维素与水接触后，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。大大影响其羟丙基甲基纤维素的保水作用，溶解性则是选择羟丙基甲基纤维素的要素之一。

羟丙基甲基纤维素的增稠与触变性

羟丙基甲基纤维素第二个作用—增稠作用取决于：羟丙基甲基纤维素的聚合度，溶液浓度，剪切速率，温度等条件。溶液的凝胶化特性是烷基纤维素和它的改性衍生物所独有的性质。凝胶化特性与取代度，溶液浓度和添加剂有关。对于羟烷基改性衍生物，凝胶特性还与羟烷基的改性程度有关。对于溶液浓度低粘度的MC及HPMC可配制10%-15%浓度溶液，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，而通常羟丙基甲基纤维素的粘度分级也是以1%-2%溶液来分级的。高分子量羟丙基甲基纤维素增稠效率高，同一浓度溶液，不同分子量聚合物有不同的粘度，粘度和分子量之间可用下列表示，[η]=2.92×10-2（DPn）0.905，DPn是平均聚合度性高。低分子量羟丙基甲基纤维素加入量多才能达到目标粘度。其粘度对剪切速率依赖性小，高粘度达到目标粘度，所需加入量少，粘度的大小决定于增稠效率。所以要达到一定的稠度必须保证羟丙基甲基纤维素一定的加入量（溶液的浓度）和溶液粘度。溶液的凝胶温度也随着溶液的浓度增加而降低呈线性，到达一定浓度后室温凝胶化。HPMC在室温凝胶化浓度是较高的。

稠度还可以经过选择颗粒尺寸和选择不同改性程度的羟丙基甲基纤维素调节。所谓改性，就是在MC的骨架结构上引入一定取代程度的羟烷基。通过改变两种取代基的相对取代值，也就是我们常说的甲氧基和羟烷基的DS和ms相对取代值。通过改变两种取代基的相对取代值获得羟丙基甲基纤维素的多种性能的要求。

从图4可以看出稠度与改性关系。图5中羟丙基甲基纤维素的加入影响砂浆的用水量改变了水与水泥的水胶比就是增稠效果，使掺量越高，用水量加大。

　　　 用于粉状建筑材料的羟丙基甲基纤维素，必须在冷水中迅速溶解，并能提供给体系适宜的稠度。如果给与一定剪切速率仍成胶体块状这就是不合格或质量不好的产品。

水泥浆体稠度与羟丙基甲基纤维素的掺量也有着良好的线性关系，羟丙基甲基纤维素可以大大增加砂浆的粘稠度，掺量越大，效果越明显，高粘度的羟丙基甲基纤维素水溶液具有高的触变性，这也是羟丙基甲基纤维素的一大特性。MC类聚合物的水溶液在其凝胶温度的以下通常具有假塑性，非触变流动性，但在低剪切速率时呈牛顿型流动性质。假塑性随羟丙基甲基纤维素分子量或浓度的增加，与取代基类型和取代度无关。所以，相同粘度等级的羟丙基甲基纤维素，不管是MC，HPMC，HEMC，只要是浓度和温度保持恒定，总表现出相同的流变性质。当温度提高时形成结构凝胶，出现高触变流动。高浓度低粘度的羟丙基甲基纤维素即使在凝胶温度以下，也表现出触变性。这一性质对建筑砂浆的施工调整其流平和流挂性是大有益处的。这里需要说明一点，羟丙基甲基纤维素的粘度越高，保水性越好，但粘度越高，羟丙基甲基纤维素相对分子量越高，其溶解性能相应降低，这对砂浆浓度和施工性能造成负面影响。粘度越高，对砂浆的增稠效果越明显，但并不是完全的正比关系。一些中低粘度，但经过改性的羟丙基甲基纤维素在改善湿砂浆的结构强度有更加的表现，随粘度的增加，羟丙基甲基纤维素保水性提高。

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纤维素醚在水泥基材料中的应用

我国推广预拌砂浆已有二十多年的历史，特别是近几年来，国家相关政府部门重视预拌砂浆发展，出台鼓励政策，目前全国已有10多个省、直辖市的预拌砂浆应用比例超过60%，有普通规模以上的预拌砂浆企业超过800家，年设计产能达2.74亿吨，2015年全年生产普通预拌砂浆6202万吨。

在施工过程中，砂浆常由于失水过快，没有足够的时间和水分进行水化反应，导致硬化后水泥浆体出现强度不足和开裂等现象。纤维素醚是干混砂浆中一种常见的聚合物外加剂，它具有保水、增稠、缓凝和引气等作用，能够明显改善砂浆的性能。

为使砂浆满足运输要求，并解决开裂和粘结强度低等问题，在砂浆中掺加纤维素醚具有重要的意义。本文简要介绍纤维素醚的特性及其对水泥基材料性能的影响，希望对解决预拌砂浆的相关技术难题有所帮助。

纤维素醚(Cellulose Ether)是由纤维素经过一种或几种醚化剂的醚化反应和干燥粉磨而成。

2.1 纤维素醚的分类

根据醚取代基化学结构的不同，纤维素醚可分为阴离子型、阳离子型和非离子型醚。离子型纤维素醚主要有羧甲基纤维素醚(CMC)；非离子型纤维素醚主要有甲基纤维素醚(MC)、羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)和羟乙基纤维素醚(HC)等。非离子型醚又分为水溶性醚和油溶性醚，在砂浆产品中主要使用非离子型水溶性醚。在钙离子存在情况下，离子型纤维素醚不稳定，故在以水泥、熟石灰等为胶结材料的干混砂浆产品中很少使用。而非离子水溶性纤维素醚因具有悬浮稳定性和保水作用，被广泛应用在建材工业中。

根据醚化过程中所选用的醚化剂的不同，纤维素醚产品有甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟乙基甲基纤维素、氰乙基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、苄基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、苄基氰乙基纤维素和苯基纤维素等种类。

用于砂浆的纤维素醚通常包括甲基纤维素醚(MC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)，羟乙基甲基纤维素醚(HEMC)和羟乙基纤维素醚(HEMC)等，其中，HPMC与HEMC应用最为广泛[1]。

2.2 纤维素醚的化学性质

每种纤维素醚都具有纤维素的基本结构---脱水葡萄糖结构。在生产纤维素醚的过程中，先将纤维素纤维在碱性溶液中加热，接着用醚化剂处理，纤维状反应产物经提纯、粉磨而形成一定细度的均匀粉末。

MC的生产过程中仅使用氯化甲烷作醚化剂；生产HPMC除了使用氯化甲烷外，还使用环氧丙烯来获取羟丙基取代基团。各种纤维素醚具有不同的甲基和羟丙基取代率，因而影响到纤维素醚溶液的有机相溶性和热凝胶温度等性能。

纤维素的脱水葡萄糖结构单元上的取代基团的数量可以用质量百分比或取代基团的平均数量来表示(即取代度DS—Degree of Substitution)。取代基团的数量决定了纤维素醚产品的性质。平均取代度对醚化产物溶解性的影响如下[2]：

(1)低取代度的醚化产物易溶于碱液；

(2)稍高取代度的醚化产物易溶于水；

(3)高取代度的醚化产物易溶于极性有机溶剂；

(4)更高取代度的醚化产物易溶于非极性有机溶剂。

2.3 纤维素醚的溶解特性

纤维素醚的溶解特性对于水泥砂浆的工作性有很大的影响。纤维素醚能够用来改善水泥砂浆的黏聚性和保水性，但这依赖于纤维素醚能够完全充分地溶解于水中。影响纤维素醚溶解的因素主要有溶解时间、搅拌速度和粉末细度等。
2.3.1 溶解时间和搅拌速度

图1(a)为不同黏度的MHPC溶解时黏度随时间的变化关系。可以看出，黏度为50Pa·s的MHPC达到标称黏度的时间约为10min左右，而黏度为20000Pa·s的MHPC则需要40min左右。由此可见，随着纤维素醚黏度的增大，其从溶解开始达到标称黏度的时间越长。
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