化学结构上HEMC取代基团是羟乙基和甲氧基,HPMC取代基团是羟丙基和甲氧基。实际性能上:HEMC比HPMC在高温下,热稳定性更好,保水率稳定。HEMC的化学结构相对于HPMC,有着更多地亲水性基团,所以在高温下更加稳定,即有着良好的热稳定性能。下面通过理化性质和实际应用等几个方面对HPMC 和HEMC做下详细分析:
1.1HPMC
羟丙甲纤维素(hydroxypropyl methyl cellulose,缩写作HPMC),生产的原材料可以是精制棉,也可以是木浆粕,是纤维素的部分甲基和部分聚羟丙基醚,是纤维素经过碱化后,再与环氧丙烷和氯甲烷发生醚化反应制得。氯甲烷上的甲氧基取代葡萄糖环基上的羟基,羟基被羟丙氧基取代并发生链聚合作用。HPMC具有热凝胶特性,其溶液无离子电荷,不与金属盐或离子化合物作用,有较强的抗霉性,还有良好的分散,乳化,增稠,粘结,保水,保胶性能。
1.2HEMC
羟乙基甲基纤维素(hydroxythyl methyl cellulose,简称HEMC),生产制备跟HPMC略不同,在纤维素碱化后,用环氧乙烷替换环氧丙烷,取代葡萄糖环基上的羟基制得。HEMC的化学结构相对于HPMC,有着更多地亲水性基团,所以在高温下更加稳定,有着良好的热稳定性能。与常见的 HPMC纤维素醚相比,它具有相对较高的凝胶温度,在高溫使用环境下更显优势。与HPMC一样,HEMC也具有良好的抗霉性,分散,乳化,增稠,粘结,保水保胶性能。
2 理化性质
维素醚行业检测标准的理化性质包括:外观,细度,干燥失重率,硫酸盐灰分,溶液PH值,溶液透光率,溶液粘度,凝胶温度,基团含量等(不包括砂浆应用实验)。
外观,细度,干燥失重率,硫酸盐灰分,溶液PH值和透光率,粘度等跟产品本身型号,功能有关,不同厂家水平不一,这里不做讨论。
2.1 纤维素醚基团含量
由于HPMC和HEMC取代基的不同,可将纤维素醚试样在密闭的反应器中加热反应,在己二酸催化作用下,经过氢碘酸定量裂解取代烷氧基基团,生成相应的碘代烷,用邻二甲苯萃取反应生成物,将萃取液注射到气相色谱仪内进行组分的分离,通过分离出来的时间,可鉴别羟丙氧基和羟乙氧基。并用内标法进行定量,计算试样中待测组分的含量。不难发现,羟乙氧基的分离时间介乎甲氧基和羟丙氧基,通过对比标准溶液的分离时间来判断基团类型。由出峰时间来判断基团类型,峰高峰面积来计算基团含量。一般情况下,HPMC 的甲氧基含量在16%~30%,羟丙氧基可在4%~32%;HEMC的甲氧基含量在22%~30%,羟乙氧基2%~14%。
2.2 凝胶温度
凝胶温度是纤维素醚的重要指标。纤维素醚水溶液具有热凝胶特性,随着温度的升高,粘度不断降低,当溶液温度达到一定值时,纤维素醚溶液不再均一透明,而是形成白色胶状物,最终失去粘度。凝胶温度测试方法是指:将纤维素醚样品配制成浓度0.2%的纤维素醚溶液,在水浴中缓慢加热,直到溶液出现白色浑浊乃至白色凝胶,并完全丧失粘度,这时候溶液的温度为纤维素醚的凝胶温度。我们随机选取了国内外纤维素醚产品各8个测试凝胶温度。结果是HEMC 整体凝胶温度略高于HPMC。一般情况下,HPMC凝胶温度在60℃~75℃,HEMC在75℃~90℃。
HPMC的甲氧基,羟丙氧基含量比值对产品的水溶性、保水能力、表面活性和凝胶温度有一定的影响。通常甲氧基含量高、羟丙氧基含量低的HPMC的水溶性好、表面活性好,但凝胶温度低;适当提高羟丙氧基含量、降低甲氧基含量,可以提高凝胶温度,但羟丙氧基含量过高,又会使凝胶温度降低,水溶性和表面活性变差。所以纤维素醚生产厂家必须通过严格控制基团含量,来保证产品质量和稳定性。
3 建筑行业的应用
HPMC和HEMC在建筑材料中有相似的作用。可作为分散剂、保水剂,增稠剂和粘结剂等,主要应用于水泥砂浆和石膏制品的成型。用于水泥砂浆中增加其粘结性,施工性,降低絮凝作用,改善粘度和收缩率,并有保水性、减少混凝土表面水分损失、提高强度、防止发生裂缝和水溶性盐类风化等作用。在水泥基抹灰浆、石膏抹灰浆、石膏产品、砌筑砂浆、板材填缝料、填缝剂、瓷砖粘合剂、自流平地面材料等都有广泛应用。在涂料中可用于乳胶漆和水溶性树脂涂料组分中作为成膜剂、增稠剂、乳化剂和稳定剂,使涂膜具有良好的耐磨性、均涂性和粘附性,并改善了表面张力、对酸碱的稳定性以及对金属颜料的相容性。由于良好的粘度储存稳定性,特别适用于乳化涂料中作为分散剂。总而言之,虽然在体系中用量很少,但作用很大,应用广泛。
纤维素醚的凝胶温度决定了它在应用中的热稳定性。HPMC的凝胶温度通常在60℃~75℃,取决于型号、基团含量、不同厂家的不同生产工艺等。由于HEMC基团的特性,使其有着较高的凝胶温度,通常在80℃以上,所以它在高温条件下的稳定性要优于HPMC。实际应用中,在夏天十分炎热的施工环境下,同等粘度和掺量的HEMC在湿拌砂浆中的保水性相比HPMC有较大的优势。尤其在南方,砂浆有时候会在高温下施工,凝胶温度过低的纤维素醚会在高温下,丧失纤维素醚本有的增稠性,保水性,从而加速水泥的固化和砂浆的硬化,直接影响施工性和抗开裂性。
由于HEMC本身结构中有更多的亲水基团,使其有更好的亲水性,同一粘度的产品在同一掺量下,HEMC在砂浆中的保水率要稍稍高于HPMC。此外,HEMC的抗垂流能力也相对好一点。所以HEMC应用于瓷砖胶效果会更好。
但是,国内建筑行业主流纤维素醚还是以HPMC为主,因其种类比较多,价格较低,可综合成本自由选择,高质量的HPMC并不比HEMC差。随着国内建筑市场的发展,特别是机械化施工程度的提高,以及对建筑质量要求的提高,HPMC在建筑领域的消费量将会继续增加。HEMC虽然某些应用方面比HPMC优秀,但由于国内生产厂家比较少,大多厂家生产工艺也不是成熟,产品质量一般,价格偏贵,所以国内相对比较少用,在国外的应用比较普遍。