建筑行業中HPMC，HEMC的理化性質和應用差異

李佳勤

摘 要： 簡單介紹纖維素醚的結構，分類，應用。從結構上，建筑行業中的應用和理化性質3方面分析HPMC和HEMC的差異性。

關鍵詞： 纖維素醚；HPMC；HEMC；理化性質；建筑應用

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。纖維素具有價廉物豐、可被生物降解、低熱量、無毒且生物學相容性好等特點。纖維素大分子的基環是脫水葡萄糖，其分子式為：（C6H10O5）n。其中含碳 44.44%，氫 6.17%，氧 49.39% ，每個葡萄糖殘基環均含有三個醇羥基，包括2個仲醇羥基和1個伯醇羥基，它們對纖維素的性質起著決定性的影響[1]。纖維素通過對其進行化學改性，可得到一系列纖維素衍生物。天然纖維素經堿化，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，可廣泛應用于食品、醫藥、化妝品、建材、造紙、涂料、紡織印染、日用化工，石油開采等行業[3]，具有溶解性，黏稠性，穩定性，無毒性，生物相容性等特點。根據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，往往對其性質有重大影響。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中HPMC，HEMC的理化性質和應用的不同。

1 結構

1.1HPMC

羥丙甲纖維素（hydroxypropyl methyl cellulose，縮寫作HPMC），生產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，是纖維素經過堿化后，再與環氧丙烷和氯甲烷發生醚化反應制得。氯甲烷上的甲氧基取代葡萄糖環基上的羥基，羥基被羥丙氧基取代并發生鏈聚合作用，結構如圖2。HPMC具有熱凝膠特性，其溶液無離子電荷，不與金屬鹽或離子化合物作用，有較強的抗霉性，還有良好的分散，乳化，增稠，黏結，保水，保膠性能。

1.2HEMC

羥乙基甲基纖維素（hydroxythyl methyl cellulose，簡稱HEMC），生產制備跟HPMC略不同，在纖維素堿化后，用環氧乙烷替換環氧丙烷，取代葡萄糖環基上的羥基制得，結構如圖3。HEMC的化學結構相對于HPMC，有著更多地親水性基團，所以在高溫下更加穩定，有著良好的熱穩定性能。與常見的 HPMC纖維素醚相比，它具有相對較高的凝膠溫度，在高溫使用環境下更顯優勢。與HPMC一樣，HEMC也具有良好的抗霉性，分散，乳化，增稠，黏結，保水保膠性能[4]。

2 理化性質

維素醚行業檢測標準的理化性質包括：外觀，細度，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，基團含量等（不包括砂漿應用實驗）[7]。

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

2.1 纖維素醚基團含量

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器中加熱反應，在己二酸催化作用下，經過氫碘酸定量裂解取代烷氧基基團，生成相應的碘代烷，用鄰二甲苯萃取反應生成物，將萃取液注射到氣相色譜儀內進行組分的分離，通過分離出來的時間，可鑒別羥丙氧基和羥乙氧基。并用內標法進行定量，計算試樣中待測組分的含量[7]。圖5是HPMC的氣象色譜譜圖，圖6是用于校準的標準溶液的氣相色譜譜圖（含甲氧基，羥乙氧基，羥丙氧基）。不難發現，羥乙氧基的分離時間介乎甲氧基和羥丙氧基，通過對比標準溶液的分離時間來判斷基團類型。由出峰時間來判斷基團類型，峰高峰面積來計算基團含量。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。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，當溶液溫度達到一定值時，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，直到溶液出現白色渾濁乃至白色凝膠，并完全喪失黏度，這時候溶液的溫度為纖維素醚的凝膠溫度[7]。圖7是隨機選取了國內外纖維素醚產品各8個測試凝膠溫度。結果是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產品的水溶性、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，但羥丙氧基含量過高，又會使凝膠溫度降低，水溶性和表面活性變差。所以纖維素醚生產廠家必須通過嚴格控制基團含量，來保證產品質量和穩定性。

3 建筑行業的應用

HPMC和HEMC在建筑材料中有相似的作用。可作為分散劑、保水劑，增稠劑和黏結劑等，主要應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、提高強度、防止發生裂縫和水溶性鹽類風化等作用。在水泥基抹灰漿、石膏抹灰漿、石膏產品、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用。在涂料中可用于乳膠涂料和水溶性樹脂涂料組分中作為成膜劑、增稠劑、乳化劑和穩定劑，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、對酸堿的穩定性以及對金屬顏料的相容性。由于良好的粘度儲存穩定性，特別適用于乳化涂料中作為分散劑。總而言之，雖然在體系中用量很少，但作用很大，應用廣泛[5]。

纖維素醚的凝膠溫度決定了它在在應用中的熱穩定性。HPMC的凝膠溫度通常在60℃～75℃，取決于型號、基團含量、不同廠家的不同生產工藝等。由于HEMC基團的特性，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定性要由于HPMC。實際應用中，在夏天十分炎熱的施工環境下，同等黏度和摻量的HEMC在濕拌砂漿中的保水性相比HPMC有較大的優勢。尤其在南方，砂漿會有時候在高溫下施工，凝膠溫度過低的纖維素醚會在高溫下，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裂性[6]。

由于HEMC本身結構中有更多的親水基團，使其有更好的親水性，同一的黏度的產品在同一摻量下，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好一點。所以HEMC應用于瓷磚膠效果會更好。

但是，國內建筑行業主流纖維素醚還是以HPMC為主，因其種類比較多，價格較低，可綜合成本自由選擇，高質量的HPMC并不比HEMC差。隨著國內建筑市場的發展，特別是機械化施工程度的提高，以及對建筑質量要求的提高，HPMC在建筑領域的消費量將會繼續增加。目前國內生產HPMC的大小工廠特別多，競爭激烈，纖維素醚投資小，建設周期短，應用廣泛，當前市場形勢喜人，因行業無序擴能現象比較嚴重，行業利潤不斷降低，且近年還受到環保，原材料的限制等。正因大環境不斷的壓縮，纖維素醚廠家，供應商更應該提高裝備工藝水平，加大自主創新力度，同時注意環境資源問題，不斷提升HPMC的出廠質量。國內主要HPMC供應商有：廣東龍湖科技股份有限公司、天普化學有限公司、山東一滕化工有限公司、上海惠廣精細化工等。HEMC雖然某些應用方面比HPMC優秀，但由于國內生產廠家比較少，大多廠家生產工藝也不是成熟，產品質量一般，價格偏貴，所以國內相對比較少用，在國外的應用比較普遍。比較大進口供應商有比如陶氏，拜耳。

參考文獻

[1]陳家楠. 纖維素化學的現狀與發展趨勢[J]，纖維素科學與技術，1995，3（1）：1～10.

[2]楊之禮，蘇茂堯. 纖維素醚基礎與應用[M]，廣州：華南理工大學出版社，1990.

[3]張愛發. 纖維素醚及其應用[J].化工新材料，2001，29（11）：21～23.

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

[5]李峰. 我國羥丙基甲基纖維素的生產及應用前景. 精細與專用化學品，1999，19：14-16

[6]遼寧建材. 關于纖維素醚的幾個問題，2009，1

[7]中華人民共和國建材行業標準 JC/T 2190—2013，2013，3～17