李佳勤

摘 要： 簡(jiǎn)單介紹纖維素醚的結(jié)構(gòu)，分類，應(yīng)用。從結(jié)構(gòu)上，建筑行業(yè)中的應(yīng)用和理化性質(zhì)3方面分析HPMC和HEMC的差異性。

關(guān)鍵詞： 纖維素醚；HPMC；HEMC；理化性質(zhì)；建筑應(yīng)用

前言

纖維素是地球上最古老，豐富的天然高分子化合物，是取之不盡用之不竭的、人類最寶貴的天然可再生資源。纖維素具有價(jià)廉物豐、可被生物降解、低熱量、無(wú)毒且生物學(xué)相容性好等特點(diǎn)。纖維素大分子的基環(huán)是脫水葡萄糖，其分子式為：（C6H10O5）n。其中含碳 44.44%，氫 6.17%，氧 49.39% ，每個(gè)葡萄糖殘基環(huán)均含有三個(gè)醇羥基，包括2個(gè)仲醇羥基和1個(gè)伯醇羥基，它們對(duì)纖維素的性質(zhì)起著決定性的影響[1]。纖維素通過(guò)對(duì)其進(jìn)行化學(xué)改性，可得到一系列纖維素衍生物。天然纖維素經(jīng)堿化，醚化中和，純化及干燥可制備得到纖維素醚[2]。纖維素醚是纖維素重要的衍生物之一，可廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品、建材、造紙、涂料、紡織印染、日用化工，石油開(kāi)采等行業(yè)[3]，具有溶解性，黏稠性，穩(wěn)定性，無(wú)毒性，生物相容性等特點(diǎn)。根據(jù)纖維素醚的取代基種類，電離性和溶解性差異，有不同的分類。纖維素醚上的取代基，往往對(duì)其性質(zhì)有重大影響。按取代基的不同，纖維素醚有MC，HEC，CMC，HPMC，HEMC 等種類，參考圖1。本文主要探討在建筑行業(yè)中HPMC，HEMC的理化性質(zhì)和應(yīng)用的不同。

1 結(jié)構(gòu)

1.1HPMC

羥丙甲纖維素（hydroxypropyl methyl cellulose，縮寫(xiě)作HPMC），生產(chǎn)的原材料可以是精制棉，也可以是木漿粕，是纖維素的部分甲基和部分聚羥丙基醚，是纖維素經(jīng)過(guò)堿化后，再與環(huán)氧丙烷和氯甲烷發(fā)生醚化反應(yīng)制得。氯甲烷上的甲氧基取代葡萄糖環(huán)基上的羥基，羥基被羥丙氧基取代并發(fā)生鏈聚合作用，結(jié)構(gòu)如圖2。HPMC具有熱凝膠特性，其溶液無(wú)離子電荷，不與金屬鹽或離子化合物作用，有較強(qiáng)的抗霉性，還有良好的分散，乳化，增稠，黏結(jié)，保水，保膠性能。

1.2HEMC

羥乙基甲基纖維素（hydroxythyl methyl cellulose，簡(jiǎn)稱HEMC），生產(chǎn)制備跟HPMC略不同，在纖維素堿化后，用環(huán)氧乙烷替換環(huán)氧丙烷，取代葡萄糖環(huán)基上的羥基制得，結(jié)構(gòu)如圖3。HEMC的化學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)于HPMC，有著更多地親水性基團(tuán)，所以在高溫下更加穩(wěn)定，有著良好的熱穩(wěn)定性能。與常見(jiàn)的 HPMC纖維素醚相比，它具有相對(duì)較高的凝膠溫度，在高溫使用環(huán)境下更顯優(yōu)勢(shì)。與HPMC一樣，HEMC也具有良好的抗霉性，分散，乳化，增稠，黏結(jié)，保水保膠性能[4]。

2 理化性質(zhì)

維素醚行業(yè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的理化性質(zhì)包括：外觀，細(xì)度，干燥失重率，硫酸鹽灰分，溶液PH值，溶液透光率，溶液黏度，凝膠溫度，基團(tuán)含量等（不包括砂漿應(yīng)用實(shí)驗(yàn)）[7]。

外觀，細(xì)度，干燥失重率，硫酸鹽灰分，溶液PH值和透光率，黏度等跟產(chǎn)品本身型號(hào)，功能有關(guān)，不同廠家水平不一，這里不做討論。

2.1 纖維素醚基團(tuán)含量

由于HPMC和HEMC取代基的不同，可將纖維素醚試樣在密閉的反應(yīng)器中加熱反應(yīng)，在己二酸催化作用下，經(jīng)過(guò)氫碘酸定量裂解取代烷氧基基團(tuán)，生成相應(yīng)的碘代烷，用鄰二甲苯萃取反應(yīng)生成物，將萃取液注射到氣相色譜儀內(nèi)進(jìn)行組分的分離，通過(guò)分離出來(lái)的時(shí)間，可鑒別羥丙氧基和羥乙氧基。并用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行定量，計(jì)算試樣中待測(cè)組分的含量[7]。圖5是HPMC的氣象色譜譜圖，圖6是用于校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)溶液的氣相色譜譜圖（含甲氧基，羥乙氧基，羥丙氧基）。不難發(fā)現(xiàn)，羥乙氧基的分離時(shí)間介乎甲氧基和羥丙氧基，通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)溶液的分離時(shí)間來(lái)判斷基團(tuán)類型。由出峰時(shí)間來(lái)判斷基團(tuán)類型，峰高峰面積來(lái)計(jì)算基團(tuán)含量。一般情況下，HPMC 的甲氧基含量在16%～30%，羥丙氧基可在4%～32%；HEMC的甲氧基含量在22%～30%，羥乙氧基2%～14%。

2.2 凝膠溫度

凝膠溫度是纖維素醚的重要指標(biāo)。纖維素醚水溶液具有熱凝膠特性，隨著溫度的升高，黏度不斷降低，當(dāng)溶液溫度達(dá)到一定值時(shí)，纖維素醚溶液不再均一透明，而是形成白色膠狀物，最終失去黏度。凝膠溫度測(cè)試方法是指：將纖維素醚樣品配制成濃度0.2%的纖維素醚溶液，在水浴中緩慢加熱，直到溶液出現(xiàn)白色渾濁乃至白色凝膠，并完全喪失黏度，這時(shí)候溶液的溫度為纖維素醚的凝膠溫度[7]。圖7是隨機(jī)選取了國(guó)內(nèi)外纖維素醚產(chǎn)品各8個(gè)測(cè)試凝膠溫度。結(jié)果是HEMC 整體凝膠溫度略高于HPMC。一般情況下，HPMC凝膠溫度在60℃～75℃，HEMC在75℃～90℃。

HPMC的甲氧基，羥丙氧基含量比值對(duì)產(chǎn)品的水溶性、保水能力、表面活性和凝膠溫度有一定的影響。通常甲氧基含量高、羥丙氧基含量低的HPMC的水溶性好、表面活性好，但凝膠溫度低；適當(dāng)提高羥丙氧基含量、降低甲氧基含量，可以提高凝膠溫度，但羥丙氧基含量過(guò)高，又會(huì)使凝膠溫度降低，水溶性和表面活性變差。所以纖維素醚生產(chǎn)廠家必須通過(guò)嚴(yán)格控制基團(tuán)含量，來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性。

3 建筑行業(yè)的應(yīng)用

HPMC和HEMC在建筑材料中有相似的作用?？勺鳛榉稚?、保水劑，增稠劑和黏結(jié)劑等，主要應(yīng)用于水泥砂漿和石膏制品的成型。用于水泥砂漿中增加其黏結(jié)性，施工性，降低絮凝作用，改善粘度和收縮率，并有保水性、減少混凝土表面水分損失、提高強(qiáng)度、防止發(fā)生裂縫和水溶性鹽類風(fēng)化等作用。在水泥基抹灰漿、石膏抹灰漿、石膏產(chǎn)品、砌筑砂漿、板材填縫料、填縫劑、瓷磚粘合劑、自流平地面材料等都有廣泛應(yīng)用。在涂料中可用于乳膠涂料和水溶性樹(shù)脂涂料組分中作為成膜劑、增稠劑、乳化劑和穩(wěn)定劑，使涂膜具有良好的耐磨性、均涂性和黏附性，并改善了表面張力、對(duì)酸堿的穩(wěn)定性以及對(duì)金屬顏料的相容性。由于良好的粘度儲(chǔ)存穩(wěn)定性，特別適用于乳化涂料中作為分散劑?？偠灾?，雖然在體系中用量很少，但作用很大，應(yīng)用廣泛[5]。

纖維素醚的凝膠溫度決定了它在在應(yīng)用中的熱穩(wěn)定性。HPMC的凝膠溫度通常在60℃～75℃，取決于型號(hào)、基團(tuán)含量、不同廠家的不同生產(chǎn)工藝等。由于HEMC基團(tuán)的特性，使其有著較高的凝膠溫度，通常在80℃以上，所以它在高溫條件下的穩(wěn)定性要由于HPMC。實(shí)際應(yīng)用中，在夏天十分炎熱的施工環(huán)境下，同等黏度和摻量的HEMC在濕拌砂漿中的保水性相比HPMC有較大的優(yōu)勢(shì)。尤其在南方，砂漿會(huì)有時(shí)候在高溫下施工，凝膠溫度過(guò)低的纖維素醚會(huì)在高溫下，喪失纖維素醚本有的增稠性，保水性，從而加速水泥的固話和砂漿的硬化，直接影響施工性和抗開(kāi)裂性[6]。

由于HEMC本身結(jié)構(gòu)中有更多的親水基團(tuán)，使其有更好的親水性，同一的黏度的產(chǎn)品在同一摻量下，HEMC在砂漿中的保水率要稍稍高于HEMC。此外，HEMC的抗垂流能力也相對(duì)好一點(diǎn)。所以HEMC應(yīng)用于瓷磚膠效果會(huì)更好。

但是，國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)主流纖維素醚還是以HPMC為主，因其種類比較多，價(jià)格較低，可綜合成本自由選擇，高質(zhì)量的HPMC并不比HEMC差。隨著國(guó)內(nèi)建筑市場(chǎng)的發(fā)展，特別是機(jī)械化施工程度的提高，以及對(duì)建筑質(zhì)量要求的提高，HPMC在建筑領(lǐng)域的消費(fèi)量將會(huì)繼續(xù)增加。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)HPMC的大小工廠特別多，競(jìng)爭(zhēng)激烈，纖維素醚投資小，建設(shè)周期短，應(yīng)用廣泛，當(dāng)前市場(chǎng)形勢(shì)喜人，因行業(yè)無(wú)序擴(kuò)能現(xiàn)象比較嚴(yán)重，行業(yè)利潤(rùn)不斷降低，且近年還受到環(huán)保，原材料的限制等。正因大環(huán)境不斷的壓縮，纖維素醚廠家，供應(yīng)商更應(yīng)該提高裝備工藝水平，加大自主創(chuàng)新力度，同時(shí)注意環(huán)境資源問(wèn)題，不斷提升HPMC的出廠質(zhì)量。國(guó)內(nèi)主要HPMC供應(yīng)商有：廣東龍湖科技股份有限公司、天普化學(xué)有限公司、山東一滕化工有限公司、上海惠廣精細(xì)化工等。HEMC雖然某些應(yīng)用方面比HPMC優(yōu)秀，但由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家比較少，大多廠家生產(chǎn)工藝也不是成熟，產(chǎn)品質(zhì)量一般，價(jià)格偏貴，所以國(guó)內(nèi)相對(duì)比較少用，在國(guó)外的應(yīng)用比較普遍。比較大進(jìn)口供應(yīng)商有比如陶氏，拜耳。

參考文獻(xiàn)

[1]陳家楠. 纖維素化學(xué)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]，纖維素科學(xué)與技術(shù)，1995，3（1）：1～10.

[2]楊之禮，蘇茂堯. 纖維素醚基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]，廣州：華南理工大學(xué)出版社，1990.

[3]張愛(ài)發(fā). 纖維素醚及其應(yīng)用[J].化工新材料，2001，29（11）：21～23.

[4]沈青，顧慶鋒，胡劍鋒等. 取代基及分子量對(duì)非離子型纖維素醚表面特性的影響[J].纖維素科學(xué)與技術(shù)，11（1）：1～7.

[5]李峰. 我國(guó)羥丙基甲基纖維素的生產(chǎn)及應(yīng)用前景. 精細(xì)與專用化學(xué)品，1999，19：14-16

[6]遼寧建材. 關(guān)于纖維素醚的幾個(gè)問(wèn)題，2009，1

[7]中華人民共和國(guó)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JC/T 2190—2013，2013，3～17