Com milloren els derivats d’èter de cel·lulosa?

Els derivats d'èter de cel·lulosa són una classe de polímers naturals de cel·lulosa natural modificats químicament. A causa de la seva excel·lent solubilitat en aigua, el rendiment d’ajust de la viscositat i la sensibilitat a condicions externes com la temperatura i el pH, s’utilitzen àmpliament en materials de construcció, recobriments, medicaments, aliments i cosmètics. La funció de control de viscositat de l’èter de cel·lulosa és una de les característiques bàsiques de la seva àmplia aplicació en moltes aplicacions industrials i diàries.

1. Estructura i classificació d’èters de cel·lulosa
Els derivats d’èter de cel·lulosa es preparen a partir de la cel·lulosa natural mitjançant la reacció d’etterificació. La cel·lulosa és un compost de polímer format per monòmers de glucosa connectats per enllaços β-1,4-glicosídics. El procés de preparació de l’èter de cel·lulosa sol implicar reaccionar la part hidroxil (-oh) de la cel·lulosa amb un agent d’etificació per generar derivats de cel·lulosa amb diferents substituents (com metoxi, hidroxietil, hidroxipropil, etc.).

Depenent dels derivats de cel·lulosa substituents, els derivats de cel·lulosa inclouen metil cel·lulosa (MC), hidroxietil cel·lulosa (HEC), hidroxipropil metil cel·lulosa (HPMC), carboximetil cel·lulosa (CMC), etc. Aquests diferents tipus d’etters de cel·lulosa tenen diferents solubilitat i propietats d’ajustament de visualitat. El nombre i la posició dels substituents no només afecten la solubilitat en aigua dels èters de cel·lulosa, sinó que també es relacionen directament amb la seva capacitat de formació de viscositat en solucions aquoses.

2. Mecanisme de formació de viscositat
L’efecte regulador de la viscositat dels èters de cel·lulosa prové principalment de la seva dissolució en l’aigua i del comportament d’extensió de les cadenes moleculars. Quan els èters de cel·lulosa es dissolen en aigua, els grups polars formen enllaços d’hidrogen amb molècules d’aigua, provocant que les cadenes moleculars de cel·lulosa es desenvolupin en aigua, donant lloc a que les molècules d’aigua s’enredessin al voltant de les molècules de cel·lulosa, augmentant la fricció interna d’aigua i augmentant així la viscositat de la solució.

La magnitud de la viscositat està estretament relacionada amb el pes molecular, el tipus substituent, el grau de substitució (DS) i el grau de polimerització (DP) d’èters de cel·lulosa. Generalment, com més gran sigui el pes molecular dels èters de cel·lulosa i més llarga la cadena molecular, més gran és la viscositat de la solució. Al mateix temps, diferents substituents afecten la hidrofilicitat de les molècules de l’èter de cel·lulosa i afecten així la seva solubilitat i viscositat en l’aigua. Per exemple, HPMC té una bona solubilitat en aigua i estabilitat de viscositat a causa dels seus substituents hidroxipropil i metil. El CMC, però, té una viscositat més elevada perquè introdueix grups carboxil carregats negativament, que poden interactuar més fortament amb les molècules d’aigua en solució aquosa.

3. Efecte dels factors externs sobre la viscositat
La viscositat de l’èter de cel·lulosa depèn no només de la seva pròpia estructura, sinó també de factors ambientals externs, inclosos la temperatura, el valor de pH, la concentració d’ions, etc.

3.1 Temperatura
La temperatura és un factor important que afecta la viscositat de la solució èter de cel·lulosa. Generalment, la viscositat de la solució d’èter de cel·lulosa disminueix amb l’augment de la temperatura. Això és degut a que l’augment de la temperatura accelera el moviment molecular, debilita la interacció entre les molècules i fa que el grau de curling de les cadenes moleculars de cel·lulosa a l’aigua augmenti, reduint l’efecte d’unió a les molècules d’aigua, reduint així la viscositat. Tot i això, alguns èters de cel·lulosa (com el HPMC) presenten característiques de gelació tèrmica dins d’un rang de temperatura específic, és a dir, a mesura que augmenta la temperatura, la viscositat de la solució augmenta i eventualment forma un gel.

3.2 Valor de pH
El valor de pH també té un efecte significatiu sobre la viscositat de l’èter de cel·lulosa. Per als èters de cel·lulosa amb substituents iònics (com CMC), el valor de pH afecta l’estat de càrrega dels substituents de la solució, afectant així la interacció entre molècules i la viscositat de la solució. A valors de pH més alts, el grup carboxil està més ionitzat, donant lloc a una repulsió electrostàtica més forta, cosa que fa que la cadena molecular sigui més fàcil desplegar i augmentar la viscositat; Mentre que a valors de pH més baixos, el grup carboxil no es pot ionitzat fàcilment, la repulsió electrostàtica es redueix, els rínxols de la cadena molecular i la viscositat disminueix.

3,3 Concentració d’ions
L’efecte de la concentració d’ions sobre la viscositat de l’èter cel·lulós és especialment evident. L’èter de cel·lulosa amb substituents iònics es veurà afectat per l’efecte blindant dels ions externs en solució. A mesura que la concentració d’ions a la solució augmenta, els ions externs debilitaran la repulsió electrostàtica entre les molècules d’èter de cel·lulosa, fent que la cadena molecular s’arrossegui més fortament, reduint així la viscositat de la solució. Especialment en un entorn elevat de sal, la viscositat de CMC disminuirà significativament, la qual cosa té una gran importància per al disseny d’aplicacions.

4. Control de viscositat als camps d’aplicació
L’èter de cel·lulosa s’ha utilitzat àmpliament en molts camps a causa del seu excel·lent rendiment d’ajust de viscositat.

4.1 Materials de construcció
En els materials de construcció, l’èter de cel·lulosa (com el HPMC) s’utilitza sovint en morter de barreja seca, pols de masses, adhesiu de rajoles i altres productes per ajustar la viscositat de la barreja i millorar la fluïdesa i les propietats anti-sagging durant la construcció. Al mateix temps, també pot retardar l’evaporació de l’aigua, millorar la retenció d’aigua dels materials i, per tant, millorar la força i la durabilitat del producte final.

4.2 Recobriments i tintes
Els èters de cel·lulosa actuen com a espessidors i estabilitzadors en els recobriments i tintes a base d’aigua. En ajustar la viscositat, asseguren l’anivellament i l’adhesió del recobriment durant la construcció. A més, també pot millorar l’anti-splashing del recobriment, reduir la caiguda i fer que la construcció sigui més uniforme.

4.3 Medicina i menjar
En els camps de la medicina i els aliments, els èters de cel·lulosa (com HPMC, CMC) s’utilitzen sovint com a espessidors, emulsionants o estabilitzadors. Per exemple, l’HPMC, com a material de recobriment per a les tauletes, pot aconseguir un efecte d’alliberament sostingut dels fàrmacs controlant la taxa de dissolució. En els aliments, CMC s’utilitza per augmentar la viscositat, millorar el gust i ampliar la vida útil dels aliments.

4.4 cosmètics
L’aplicació d’èters de cel·lulosa en cosmètics es concentra principalment en productes com emulsions, gels i màscares facials. Ajustant la viscositat, els èters de cel·lulosa poden donar al producte fluïdesa i textura adequades i formar una pel·lícula hidratant a la pell per augmentar la comoditat durant l’ús.

Els derivats d'èter de cel·lulosa poden controlar eficaçment la viscositat de les solucions mitjançant la seva estructura molecular única i la seva resposta a l'entorn extern. Això ha provocat la seva àmplia aplicació en molts camps com ara la construcció, la medicina, els aliments i els cosmètics. Amb el desenvolupament continu de la ciència i la tecnologia, les funcions dels èters de cel·lulosa s’ampliaran encara més per proporcionar solucions de control de viscositat més precises per a més camps.