Cellulose Esters Là Gì? Phân Loại và Hiểu Đúng Nhất

Apr 30, 2024

TKT Company

Cập nhật Bài Viết “Cellulose Ester là gì” lần cuối ngày 30 tháng 4 năm 2024 tại Địa Điểm công ty TKT Company

Trong các vật liệu xây dựng có thể bạn đã từng sử dụng các sản phẩm có chứa các loại Cellulose Ester mà bạn không biết. Chúng có mặt ở rất nhiều các sản phẩm vữa khô, vữa tự san, vữa terrazzo, bê tông, terrazzo, sơn, bột bả (bột trét), vữa hoàn thiện, sơn nước, sơn ngoài trời… Mỗi loại Cellulose ester có các đặc điểm và phạm vi ứng dụng khác nhau, thông qua bài viết này chúng ta cùng tìm hiểu về chúng.

So sánh các loại Cellulose ester (HEC, HPMC, HEMC, MC and CMC) trong ngành vật liệu xây dựng và sơn.

Hình ảnh: Cellulose Esters là gì? Phân loại

Nội dung (Contents)

1. Cellulose là gì?

Cellulose (hay tiếng Việt là xenlulozơ) là một hợp chất hữu cơ có công thức (C6H10O5)n, một polysaccharide bao gồm một chuỗi tuyến tính gồm vài trăm đến hàng nghìn đơn vị D-glucose liên kết β(1→4).

Cellulose là thành phần cấu trúc quan trọng của thành tế bào sơ cấp của cây xanh, nhiều dạng tảo và oomycetes. Cellulose là loại polyme hữu cơ có nhiều nhất trên Trái đất. Hàm lượng cellulose của sợi bông là 90%, của gỗ là 40–50% và của cây gai dầu khô là khoảng 57%

Sự hiện diện của các nhóm hydroxyl –OH phóng ra từ mỗi chuỗi theo mọi hướng, từ đó làm tăng mối liên kết giữa các chuỗi adjacent glucose liền kề. Chính nhờ mối liên kết mà độ bền kéo của cấu trúc cellulose tăng lên, ngăn không cho tế bào bị vỡ khi nước xâm nhập qua thẩm thấu.

Hình dạng của tế bào được xác định theo sự sắp xếp của các bó cellulose có đường kính 2-20 nm và chiều dài 100 – 40000 nm.
Các dẫn chất khác của cellulose: Hydroxy propyl methyl cellulose, natri hydroxy cellulose, cellulose triacetate, acetophtalat cellulose, colodion, pyroxylin

Trong hoạt động sản xuất thương mại, cellulose là một hợp chất quan trọng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như giấy, dệt may và dược phẩm. Từ cellulose, các nhà sản xuất có thể tạo ra nhiều loại vải như ayon, satin, acetate và triacetate.

Có thể bạn chưa biết:

? Chất xơ (fiber)

Chất xơ (Fiber) thường hay nhầm lẫn với Xenlulozơ. Nhưng Fiber là một phạm trù rộng hơn và bao hàm cả Xenlulozơ

Ngày càng có nhiều nghiên cứu về vai trò chất xơ trong dinh dưỡng và sức khỏe, nhất là về mối liên quan giữa chất xơ với chuyển hóa chất béo, chuyển hóa glucose và các vai trò sinh học khác như chất xơ đối với một số bệnh mạn tính nguy hiểm (béo phì, rối loạn chuyển hóa chất béo, bệnh tim mạch, tiểu đường, ung thư nói chung, nhất là ung thư đường tiêu hóa, táo bón, …).

Chất xơ là chất bã của thức ăn còn lại sau khi tiêu hóa, gồm các chất tạo thành vách tế bào (cellulose, hemicellulose, pectin, cutin, glucoprotein) và các chất dự trữ, bài tiết bên trong tế bào (gụm, chất nhầy).

Chất xơ được phân loại thành 2 nhóm: Chất xơ thực phẩm và chất xơ chức năng. Chất xơ thực phẩm bao gồm polysaccharid thực vật không tiêu hóa được như: cellulose, pectin, gum, hemicellulose; Chất xơ chức năng: có hiệu quả sinh học.

Người ta cũng chia chất xơ thành 2 loại: Chất xơ hòa tan và Chất xơ không hòa tan:

Chất xơ hòa tan trong chất lỏng vào đường ruột dưới dạng gel. Nguồn thực phẩm cung cấp là các loại rau, quả độ nhớt cao : rau đay, rau mồng tơi, thanh long, …
Chất xơ không hòa tan: không hòa tan trong chất lỏng khi vào đường ruột. Nguồn thực phẩm cung cấp là rau, củ, quả.

2. Cellulose Ether là gì

2.1. Quy trình tạo ra Cellulose Ether

Cellulose ether là ete cellulose dạng bột được tạo ra từ sợi gỗ hoặc sợi bông ngắn tinh chế làm nguyên liệu chính, sau khi xử lý hóa học và bằng phản ứng của các chất ete hóa như ethylene clo hóa, propylene clo hóa và ethylene oxy hóa.

Quá trình sản xuất ete cellulose rất phức tạp. Nó bắt đầu bằng việc chiết xuất cellulose từ bông hoặc gỗ, sau đó chuyển hóa thành cellulose kiềm sau khi thêm natri hydroxit và bằng phản ứng hóa học (dung dịch kiềm). Dưới tác dụng của các chất ether hóa (phản ứng ether hóa), ete xenlulo được tạo ra từ xenlulo kiềm thông qua các quá trình như rửa bằng nước, sấy khô và nghiền.

Các tác nhân ether hóa khác nhau có thể biến cellulose kiềm thành các loại ete cellulose khác nhau.

Cấu trúc phân tử của cellulose bao gồm các liên kết phân tử của các đơn vị glucose khử nước. Mỗi đơn vị glucose chứa ba nhóm hydroxyl. Trong những điều kiện nhất định, các nhóm hydroxyl sẽ được thay thế bằng methyl, hydroxyethyl, hydroxypropyl và các nhóm tương tự và có thể tạo thành cellulose thuộc nhiều loại khác nhau:

Nếu được thay thế bằng methyl thì gọi là methyl cellulose (MC)
Nếu được thay thế bằng hydroxyethyl thì gọi là hydroxyethyl cellulose(HEC)
Nếu được thay thế bằng hydroxypropyl thì gọi là hydroxypropyl cellulose (HPC).

Vì methyl cellulose là một ete hỗn hợp được tạo ra bởi phản ứng ether hóa, với metyl là nguyên liệu chính nhưng chứa một lượng nhỏ hydroxyethyl hoặc hydroxypropyl, nên nó được gọi là methyl hydroxyethyl cellulose ether hoặc methyl hydroxypropyl cellulose ether.

Do sự khác biệt về các nhóm thế (như methyl, hydroxyethyl và hydroxypropyl) và sự khác biệt về mức độ thay thế (lượng chất thay thế của hydroxyl phản ứng trong mỗi cellulose), có thể thu được ete cellulose thuộc các loại và cấp độ khác nhau.

Các loại khác nhau có thể được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, thực phẩm và dược phẩm, cũng như các lĩnh vực khác nhau như công nghiệp hóa chất hàng ngày và công nghiệp dầu khí

2.2. Phân loại Cellulose Ether

Cellulose ether là một thuật ngữ chung cho phản ứng của cellulose kiềm và chất ether hóa để tạo ra một loạt sản phẩm trong những điều kiện nhất định.

Xenluloza kiềm được thay thế bằng các tác nhân ete hóa khác nhau để thu được các ete xenluloza khác nhau. Theo đặc tính ion hóa của các nhóm thế, ete cellulose có thể được chia thành hai loại:

Ion (như carboxymethyl cellulose) và
Không ion (như methyl cellulose).

Theo các loại nhóm thế, ete cellulose có thể được chia thành:

Ete đơn (như methyl cellulose – MC) và
Ete hỗn hợp (như hydroxypropyl methyl cellulose HPMC).

Theo độ hòa tan khác nhau, nó có thể được chia thành:

Độ hòa tan trong nước (như hydroxyethyl cellulose HEC) và
Độ hòa tan trong dung môi hữu cơ (như ethyl cellulose EC).

Vữa trộn khô chủ yếu sử dụng cellulose hòa tan trong nước, được chia thành loại hòa tan nhanh và loại hòa tan chậm sau khi xử lý bề mặt.

2.3. Cơ chế tác dụng của ete xenlulo trong vữa như sau

Sau khi ete xenlulo trong vữa được hòa tan trong nước, hoạt động bề mặt đảm bảo vật liệu tạo gel được phân bổ hiệu quả và đồng đều trong hệ thống. Là một chất keo bảo vệ, ete cellulose “bọc” các hạt rắn và một lớp màng bôi trơn được hình thành trên bề mặt bên ngoài, giúp hệ vữa ổn định hơn, đồng thời cũng cải thiện tính lưu động của vữa trong quá trình trộn và độ mịn của việc xây dựng.

Dung dịch ete cellulose do có cấu trúc phân tử riêng nên nước trong vữa khó bị mất đi và được giải phóng dần dần trong thời gian dài, giúp vữa có khả năng giữ nước và khả năng thi công tốt.

4. Methyl cellulose (MC)

Metyl xenlulo (MC): Sau khi bông tinh chế được xử lý bằng kiềm, metan clo hóa được sử dụng làm chất ete hóa và một loạt phản ứng được thực hiện để tạo ra ete cellulose. Nói chung, mức độ thay thế là 1,6 ~ 2,0 và độ hòa tan thay đổi theo mức độ thay thế. Thuộc về ete cellulose không ion.

Methyl cellulose hòa tan trong nước lạnh và khó hòa tan trong nước nóng. Dung dịch nước của nó rất ổn định trong khoảng pH = 3 ~ 12. Nó có khả năng tương thích tốt với tinh bột, guar gum, v.v. và nhiều chất hoạt động bề mặt. Khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ tạo gel, quá trình tạo gel sẽ xảy ra.

Khả năng giữ nước của methyl cellulose phụ thuộc vào lượng bổ sung, độ nhớt, độ mịn của hạt và tốc độ hòa tan. Nói chung, nếu lượng bổ sung lớn, độ mịn nhỏ và độ nhớt lớn thì tỷ lệ giữ nước cao. Trong số đó, lượng bổ sung có ảnh hưởng lớn nhất đến tốc độ giữ nước và độ nhớt không tỷ lệ thuận với tốc độ giữ nước. Tốc độ hòa tan chủ yếu phụ thuộc vào mức độ biến đổi bề mặt của các hạt cellulose và độ mịn của các hạt. Trong số các ete cellulose nêu trên, methyl cellulose (MC) và hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC) có tỷ lệ giữ nước cao hơn.

Sự thay đổi nhiệt độ sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến tốc độ giữ nước của methyl cellulose. Nói chung, nhiệt độ càng cao thì khả năng giữ nước càng kém. Nếu nhiệt độ của vữa vượt quá 40°C, khả năng giữ nước của methyl cellulose sẽ bị suy giảm đáng kể, ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng thi công (workability) của vữa.

Methyl cellulose có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng thi công và độ bám dính của vữa. “Độ bám dính” ở đây đề cập đến lực dính được cảm nhận giữa dụng cụ thi công của người công nhân và nền tường, tức là khả năng chống cắt của vữa. Độ bám dính lớn, khả năng chống cắt của vữa lớn, lực yêu cầu của công nhân trong quá trình sử dụng cũng lớn, khả năng thi công của vữa kém. Trong số các sản phẩm ete cellulose, lực bám dính của methyl cellulose (MC) ở mức vừa phải.

5. Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC)

Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) là một loại cellulose có sản lượng và mức tiêu thụ tăng nhanh trong những năm gần đây. Nó là một ete hỗn hợp xenlulo không ion được làm từ bông tinh chế thông qua một loạt các phản ứng sử dụng propylene oxit và metyl clorua làm tác nhân ete hóa sau khi xử lý kiềm hóa. Mức độ thay thế thường là 1,2 ~ 2,0. Tính chất của nó khác nhau ở tỷ lệ hàm lượng methoxy và hàm lượng hydroxypropyl.

Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) dễ hòa tan trong nước lạnh và khó hòa tan trong nước nóng. Nhưng nhiệt độ gel hóa của nó trong nước nóng cao hơn đáng kể so với methyl cellulose. Khả năng hòa tan trong nước lạnh cũng được cải thiện rất nhiều so với methyl cellulose (MC).

Độ nhớt của hydroxypropyl methylcellulose có liên quan đến trọng lượng phân tử của nó, trọng lượng phân tử càng cao thì độ nhớt càng cao. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến độ nhớt của nó, khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt giảm. Nhưng độ nhớt cao của nó có tác dụng nhiệt độ thấp hơn methyl cellulose. Dung dịch ổn định khi bảo quản ở nhiệt độ phòng.

Khả năng giữ nước của hydroxypropyl methyl cellulose phụ thuộc vào lượng bổ sung, độ nhớt, v.v. Tỷ lệ giữ nước trong cùng một lượng bổ sung cao hơn so với methyl cellulose.

Hydroxypropyl methylcellulose ổn định với axit và kiềm, và dung dịch nước của nó rất ổn định trong khoảng pH = 2 ~ 12. Xút và nước vôi không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất của nó, nhưng chất kiềm có thể tăng tốc độ hòa tan và tăng độ nhớt của nó một chút. Hydroxypropyl methylcellulose ổn định với các muối thông thường, nhưng khi nồng độ của dung dịch muối cao, độ nhớt của dung dịch hydroxypropyl methylcellulose có xu hướng tăng lên.

Hydroxypropyl methylcellulose có thể được trộn với các hợp chất polymer hòa tan trong nước để tạo thành dung dịch đồng nhất và có độ nhớt cao hơn. Chẳng hạn như rượu polyvinyl, ete tinh bột, keo thực vật, v.v.

Hydroxypropyl methyl cellulose có khả năng kháng enzyme tốt hơn methyl cellulose và khả năng phân hủy enzyme trong dung dịch thấp hơn methyl cellulose.

Độ bám dính của hydroxypropyl methyl cellulose với vữa xây dựng cao hơn methyl cellulose.

6. Hydroxyethyl cellulose (HEC)

Nó được tạo ra bằng cách cho bông tinh chế phản ứng với ethylene oxit như một chất ete hóa với sự có mặt của axeton sau khi xử lý bằng kiềm. Mức độ thay thế thường là 1,5 ~ 2,0. Nó có tính ưa nước mạnh và dễ hấp thụ độ ẩm.

Nó là chất rắn dạng bột hoặc dạng bột màu trắng hoặc vàng nhạt, không mùi, không độc hại, được điều chế bằng quá trình ete hóa xenluloza kiềm và etylen oxit (hoặc cloroetanol), và là ete xenluloza hòa tan không ion. Là một chất hoạt động bề mặt không ion, nó có đặc tính làm dày, huyền phù, liên kết, nổi, tạo màng, phân tán, giữ nước và cung cấp các chức năng keo bảo vệ, nó có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau

Hydroxyethyl cellulose (HEC) hòa tan trong nước lạnh, nhưng khó hòa tan trong nước nóng. Dung dịch của nó ổn định ở nhiệt độ cao và không có đặc tính tạo gel. Nó có thể được sử dụng trong thời gian dài hơn ở nhiệt độ cao trong vữa, nhưng khả năng giữ nước của nó thấp hơn so với methyl cellulose.

Hydroxyethyl cellulose ổn định với axit và kiềm nói chung. Chất kiềm có thể đẩy nhanh quá trình hòa tan và tăng nhẹ độ nhớt của nó. Độ phân tán của nó trong nước kém hơn một chút so với methyl cellulose (MC) và hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC).

Hydroxyethyl cellulose có tác dụng chống chảy xệ tốt cho vữa nhưng có thời gian lưu hóa lâu hơn đối với xi măng.

Hiệu suất của hydroxyethyl cellulose do một số doanh nghiệp trong nước sản xuất thấp hơn đáng kể so với methyl cellulose do hàm lượng nước cao và hàm lượng tro cao.

6.1. Ứng dụng HEC trong Sơn latex

HEC là chất làm đặc được sử dụng phổ biến nhất trong lớp phủ latex. Ngoài việc làm dày lớp phủ latex, nó còn có thể đảm nhận chức năng nhũ hóa, phân tán, ổn định và giữ nước. Nó được đặc trưng bởi hiệu ứng làm dày đáng kể, phân tán màu sắc tốt, tạo màng và ổn định bảo quản. HEC là dẫn xuất cellulose không ion và có thể được sử dụng trong phạm vi pH rộng.

Nó có khả năng tương thích tốt với các vật liệu khác trong thành phần (như bột màu, chất phụ gia bê tông, chất độn và muối). Lớp phủ được làm dày bằng HEC có tính lưu biến và giả dẻo tốt dưới các tốc độ cắt khác nhau. Nó có thể áp dụng các phương pháp làm việc như chải, sơn lăn và phun. Khả năng thi công tốt, không dễ nhỏ giọt, chảy xệ và văng tung tóe, đặc tính tự san phẳng cũng tốt.

6.2. Chăm sóc cá nhân

HEC là chất tạo màng, chất kết dính, chất làm đặc, chất ổn định và chất phân tán hiệu quả trong dầu gội, keo xịt tóc, chất trung hòa, dầu xả và mỹ phẩm. Đặc tính keo làm dày và bảo vệ của nó có thể được sử dụng trong ngành công nghiệp chất tẩy rửa dạng lỏng và chất tẩy rửa rắn. HEC hòa tan nhanh ở nhiệt độ cao, có thể đẩy nhanh quá trình sản xuất và nâng cao hiệu quả sản xuất. Như chúng ta đã biết, đặc điểm dễ nhận thấy của chất tẩy rửa có chứa HEC là nó có thể cải thiện độ mịn và độ bóng của vải.

7. Carboxymethyl cellulose (CMC)

Sau khi xử lý kiềm các sợi tự nhiên (bông, v.v.), natri mono-chloroacetate được sử dụng làm chất ether hóa và một loạt các phương pháp xử lý phản ứng được thực hiện để tạo ra ete cellulose ion. Mức độ thay thế thường là 0,4 đến 1,4 và hiệu suất của nó bị ảnh hưởng rất nhiều bởi mức độ thay thế.

Carboxymethyl cellulose có khả năng hút ẩm cao và sẽ chứa nhiều hơi ẩm khi bảo quản trong điều kiện bình thường.

Dung dịch nước carboxymethyl cellulose không tạo ra gel và độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng. Khi nhiệt độ vượt quá 50°C, độ nhớt không thể đảo ngược.

Độ ổn định của nó bị ảnh hưởng rất nhiều bởi độ pH. Nói chung, nó có thể được sử dụng trong vữa gốc thạch cao, nhưng không được sử dụng trong vữa gốc xi măng. Khi nó có tính kiềm cao, nó sẽ mất độ nhớt.

Khả năng giữ nước của nó thấp hơn nhiều so với methyl cellulose. Nó có tác dụng làm chậm vữa gốc thạch cao và làm giảm cường độ của nó. Nhưng giá của carboxymethyl cellulose thấp hơn đáng kể so với methyl cellulose.

8. Hydroxyethyl methyl cellulose (HEMC)

Hydroxyethyl Methyl Cellulose Ether là ehter cellulose biến tính cho các sản phẩm trộn sẵn và trộn khô. Nó là chất giữ nước, chất làm đặc, chất ổn định, chất kết dính, chất tạo màng hiệu quả cao trong vật liệu xây dựng. Vật liệu này cũng có khả năng giữ nước tuyệt vời, hiệu suất thi công tuyệt vời và hiệu suất làm ướt bề mặt tuyệt vời trong lớp trát mỏng ( putty thin plastering).

Bột trét tường gốc xi măng (Cement based wall putty)
Bột trét tường gốc thạch cao (Gypsum based wall putty)
Trát mỏng (Thin Plastering)

Khả năng cải thiện tính chất vữa của HEMC

Cải thiện thời gian mở (Improved open time)
Khả năng làm đặc tuyệt vời (thickening ability)
Cải thiện khả năng làm ướt (Improved wetting ability)
Khả năng làm việc tuyệt vời (workability)
Khả năng chống chảy xệ tuyệt vời (anti-sagging ability)

HEMC có khả năng hòa tan trong nước, giữ nước, hoạt động bề mặt, làm dày, tạo màng, bám dính, huyền phù và chịu nhiệt độ cao rất tốt.

HEMC đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm keo dán gạch, vữa, lớp phủ ngoài, bột trét tường, vữa trát xi măng, sản phẩm gốc thạch cao, vữa gốc xi măng. (tile adhesives, grouts, skim coat, wall putty, cement renders, gypsum-based products, cement-based mortars.)

So với HPMC, cấu trúc hóa học của HEMC có nhiều nhóm ưa nước hơn nên khả năng giữ nước cao hơn ở nhiệt độ cao cũng như độ ổn định nhiệt tốt.

Thông thường, nhiệt độ gel của HPMC là từ 55oC đến 75oC. Nhiệt độ gel của HEMC là 75oC đến 100oC. Vì vậy, nếu thời tiết ở địa phương của bạn ở các điều kiện sau, chẳng hạn như nhiệt độ ngoài trời cao hơn 30oC, độ ẩm cao hơn 30% và tốc độ gió cao hơn 30m/s thì HEMC rất được khuyến khích.

Trên đây các bạn đã phân biệt được các loại Ête Xenluloze (Celullose esther) và các ứng dụng đặc trưng của chúng trong ngành vật liệu xây dựng, vữa, vữa trộn khô, latex…

Bạn có thể tìm đọc chuyên sâu về HPMC loại ester cenllulose được sử dụng rất phổ biến trong vữa trộn sẵn, hay keo dán gạch, vữa trét lớp mỏng…

Ở bài tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu chuyên sâu về các loại bột tái phân tán và vai trò của chúng trong ngành vật liệu xây dựng. Bạn hãy đón đọc nhé.