建筑行业中HPMC，HEMC的理化性质和应用差异

李佳勤

摘 要： 简单介绍纤维素醚的结构，分类，应用。从结构上，建筑行业中的应用和理化性质3方面分析HPMC和HEMC的差异性。

关键词： 纤维素醚；HPMC；HEMC；理化性质；建筑应用

前言

纤维素是地球上最古老，丰富的天然高分子化合物，是取之不尽用之不竭的、人类最宝贵的天然可再生资源。纤维素具有价廉物丰、可被生物降解、低热量、无毒且生物学相容性好等特点。纤维素大分子的基环是脱水葡萄糖，其分子式为：（C6H10O5）n。其中含碳 44.44%，氢 6.17%，氧 49.39% ，每个葡萄糖残基环均含有三个醇羟基，包括2个仲醇羟基和1个伯醇羟基，它们对纤维素的性质起着决定性的影响[1]。纤维素通过对其进行化学改性，可得到一系列纤维素衍生物。天然纤维素经碱化，醚化中和，纯化及干燥可制备得到纤维素醚[2]。纤维素醚是纤维素重要的衍生物之一，可广泛应用于食品、医药、化妆品、建材、造纸、涂料、纺织印染、日用化工，石油开采等行业[3]，具有溶解性，黏稠性，稳定性，无毒性，生物相容性等特点。根据纤维素醚的取代基种类，电离性和溶解性差异，有不同的分类。纤维素醚上的取代基，往往对其性质有重大影响。按取代基的不同，纤维素醚有MC，HEC，CMC，HPMC，HEMC 等种类，参考图1。本文主要探讨在建筑行业中HPMC，HEMC的理化性质和应用的不同。

1 结构

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，结构如图2。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，黏结，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，结构如图3。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，黏结，保水保胶性能[4]。

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，溶液黏度，凝胶温度，基团含量等（不包括砂浆应用实验）[7]。

外观，细度，干燥失重率，硫酸盐灰分，溶液PH值和透光率，黏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[7]。图5是HPMC的气象色谱谱图，图6是用于校准的标准溶液的气相色谱谱图（含甲氧基，羟乙氧基，羟丙氧基）。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，黏度不断降低，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，最终失去黏度。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，并完全丧失黏度，这时候溶液的温度为纤维素醚的凝胶温度[7]。图7是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，增稠剂和黏结剂等，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黏结性，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涂料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、均涂性和黏附性，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[5]。

纤维素醚的凝胶温度决定了它在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由于HPMC。实际应用中，在夏天十分炎热的施工环境下，同等黏度和掺量的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，砂浆会有时候在高温下施工，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，从而加速水泥的固话和砂浆的硬化，直接影响施工性和抗开裂性[6]。

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，同一的黏度的产品在同一掺量下，HEMC在砂浆中的保水率要稍稍高于HEMC。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。目前国内生產HPMC的大小工厂特别多，竞争激烈，纤维素醚投资小，建设周期短，应用广泛，当前市场形势喜人，因行业无序扩能现象比较严重，行业利润不断降低，且近年还受到环保，原材料的限制等。正因大环境不断的压缩，纤维素醚厂家，供应商更应该提高装备工艺水平，加大自主创新力度，同时注意环境资源问题，不断提升HPMC的出厂质量。国内主要HPMC供应商有：广东龙湖科技股份有限公司、天普化学有限公司、山东一滕化工有限公司、上海惠广精细化工等。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。比较大进口供应商有比如陶氏，拜耳。

参考文献

[1]陈家楠. 纤维素化学的现状与发展趋势[J]，纤维素科学与技术，1995，3（1）：1～10.

[2]杨之礼，苏茂尧. 纤维素醚基础与应用[M]，广州：华南理工大学出版社，1990.

[3]张爱发. 纤维素醚及其应用[J].化工新材料，2001，29（11）：21～23.

[4]沈青，顾庆锋，胡剑锋等. 取代基及分子量对非离子型纤维素醚表面特性的影响[J].纤维素科学与技术，11（1）：1～7.

[5]李峰. 我国羟丙基甲基纤维素的生产及应用前景. 精细与专用化学品，1999，19：14-16

[6]辽宁建材. 关于纤维素醚的几个问题，2009，1

[7]中华人民共和国建材行业标准 JC/T 2190—2013，2013，3～17