Einführung
Hydroxypropylmethylcellulose, meist als HPMC bezeichnet, ist ein nichtionisches Celluloseether. Es wird durch chemische Modifikation aus natürlicher Zellulose hergestellt. Es kommt in vielen wasserbasierten Systemen zum Einsatz, da es verdicken, Wasser binden, die Verarbeitbarkeit verbessern, Filme bilden, Partikel stabilisieren und die Haftung fördern kann.
HPMC wird häufig eingesetzt in Baumaterialien, Beschichtungen, PVC-Suspensionspolymerisation, Keramik, Ölfeldflüssigkeiten, Papier, Textilappretur, Haushaltschemikalien, Lebensmittelsysteme und pharmazeutische Formulierungen. Bei Trockenmörtel kann bereits eine sehr geringe Dosierung das gesamte Verarbeitungsverhalten des Materials verändern. In Fliesenklebern trägt HPMC dazu bei, dass der Mörtel Wasser bindet, verarbeitbar bleibt und stabile Rippen bildet. In selbstnivellierenden Mörteln hilft niedrigviskoses HPMC dabei, das Ausbluten zu kontrollieren und gleichzeitig die Fließfähigkeit zu erhalten.
Die Zhiwei (Jinan) New Materials Co., Ltd. liefert HPMC-Typen für den Bausektor und wasserbasierte Systeme. Zhiwei HPMC 400 und HPMC 4K eignen sich für fließfähige Systeme und eine leichte Rheologieregulierung. Zhiwei HPMC 100K und HPMC 200K sind für Trockenmischsysteme mit höherer Viskosität ausgelegt, wie beispielsweise Fliesenkleber, Wandspachtelmasse, Putz, WDVS-Mörtel und Reparaturmörtel.
Was ist HPMC?
HPMC ist ein Celluloseethergemisch. Die vollständige Bezeichnung lautet Hydroxypropylmethylcellulose. Es wird aus Cellulose durch Alkalisierung, Veretherung, Neutralisation, Waschen, Trocknen und Mahlen hergestellt.
Die Zellulosequelle ist in der Regel veredelte Baumwolle oder Zellstoff. Zellulose ist ein nachwachsendes Polymer, das aus Glukoseeinheiten besteht. Jede Glukoseeinheit weist Hydroxylgruppen auf. Diese Gruppen ermöglichen es der Zellulose, zu reagieren und sich in Zelluloseether umzuwandeln. Nach der Modifizierung wird HPMC in kaltem Wasser löslich und erhält nützliche industrielle Eigenschaften.
HPMC ist in der Regel ein weißes oder cremefarbenes Pulver. Es ist geruchsarm oder geruchlos. Je nach Herstellungsverfahren und Partikelaufbereitung kann es faserig oder körnig sein.
Wichtigste Eigenschaften von HPMC
HPMC verfügt über verschiedene Eigenschaften, die es für Formulierungen wertvoll machen.
| Eigentum | Praktische Bedeutung |
|---|---|
| Wasserlöslichkeit | HPMC löst sich in kaltem Wasser auf und bildet eine klare oder leicht trübe kolloidale Lösung. |
| Verdickung | HPMC sorgt in wasserbasierten Systemen für eine Erhöhung der Viskosität. |
| Wasserrückhalt | HPMC bindet Wasser in Zement, Gips, Mörtel und anderen porösen Systemen. |
| Filmbildung | HPMC kann farblose, transparente und zähe Filme bilden. |
| Oberflächenaktivität | HPMC kann die Emulgierung, Dispersion und den Schutz der Partikel unterstützen. |
| pH-Stabilität | HPMC-Lösungen bleiben über einen breiten pH-Bereich hinweg relativ stabil, häufig im Bereich von pH 3 bis 11. |
| Salzverträglichkeit | HPMC ist nichtionisch und weist daher in Elektrolytsystemen eine bessere Stabilität auf als viele ionische Polymere. |
| Thermische Gelierung | HPMC löst sich in kaltem Wasser auf, kann jedoch bei Erwärmung gelieren oder trüb werden. |
| Enzymresistenz | HPMC weist eine bessere Beständigkeit gegen Enzymangriffe auf als viele natürliche Stärke- oder Zuckersysteme. |
| Thixotropie | HPMC kann dazu beitragen, dass sich Materialien unter Scherbeanspruchung leichter verarbeiten lassen und nach dem Auftragen stabiler sind. |
Diese Eigenschaften erklären, warum HPMC manchmal als Additiv mit geringer Dosierung und großer Wirkung bezeichnet wird. In vielen Bauformulierungen beträgt die Dosierung nur etwa 0,1% bis 1,0%, doch die Wirkung ist erheblich.
Löslichkeit von HPMC und Auflösungsmethoden
HPMC ist in kaltem Wasser löslich. In absolutem Ethanol, Ether und Aceton ist es nahezu unlöslich. Es lässt sich auch in einigen gemischten Wasser-organischen Lösungsmittelsystemen auflösen.
Der Auflösungsprozess ist entscheidend. Wenn HPMC zu schnell direkt in kaltes Wasser gegeben wird, können sich Klumpen bilden. Zwei gängige Methoden können hier Abhilfe schaffen.
Das erste Verfahren ist das Heißwasserdispergierverfahren. Der Formulierer fügt etwa zwei Drittel der benötigten Wassermenge als heißes Wasser mit einer Temperatur von über 80 °C hinzu. Da sich HPMC in heißem Wasser nicht sofort auflöst, kann es sich gleichmäßig verteilen. Anschließend wird kaltes Wasser oder Eiswasser hinzugefügt. Die Lösung wird gerührt, bis sich die Viskosität einstellt.
Die zweite Methode ist das organische Benetzen. HPMC wird zunächst mit Ethanol, Ethylenglykol, Öl oder einem anderen geeigneten Medium benetzt. Anschließend wird Wasser hinzugefügt. Dies trägt dazu bei, dass sich das Pulver verteilt, bevor die Hydratation beginnt.
Unter Trockenmörtel, Viele handelsübliche HPMC-Typen weisen eine verzögerte Löslichkeit auf. Dies fördert die Dispergierung des Pulvers während des Mischvorgangs und verringert die Klumpenbildung.
Wie sich Substitution auf die Leistung von HPMC auswirkt
Die Eigenschaften von HPMC hängen vom Methoxygehalt, vom Hydroxypropoxygehalt, vom Substitutionsgrad, von der molaren Substitution und von der Viskosität ab.
Ein höherer Methoxygehalt bei gleichzeitig geringerem Hydroxypropoxygehalt führt in der Regel zu einer besseren Wasserlöslichkeit und Oberflächenaktivität. Außerdem führt dies tendenziell zu einer niedrigeren Geltemperatur. Eine angemessene Erhöhung des Hydroxypropoxygehalts kann die Geltemperatur anheben, ein zu hoher Hydroxypropoxygehalt kann sie jedoch wieder senken.
Aus diesem Grund sind HPMC-Typen nicht allein aufgrund ihrer Bezeichnung austauschbar. Zwei Produkte können zwar beide als HPMC bezeichnet werden, verhalten sich jedoch in Mörtel, Beschichtungen, PVC oder Systemen der Alltagschimie möglicherweise unterschiedlich. Viskosität, Substitutionsart, Geltemperatur, Partikelgröße und Oberflächenbehandlung beeinflussen das Endergebnis.
HPMC in Baustoffen
Das Bauwesen ist einer der wichtigsten Anwendungsbereiche für HPMC. HPMC kann in Zementmörtel verwendet werden, Fliesenkleber, Wandspachtel, Putz, WDVS-Mörtel, Gipsprodukte, selbstnivellierender Mörtel, Reparaturmörtel und Dekormörtel.
Im Bereich der Baustoffe wird HPMC hauptsächlich wie folgt eingesetzt:
| Funktion | Wirkung im Mörtel |
|---|---|
| Wasserrückhalt | Dadurch steht Wasser für die Hydratation von Zement oder Gips zur Verfügung. |
| Verdickung | Es verleiht dem Mörtel Festigkeit und verbessert die Verarbeitbarkeit. |
| Verbesserung der Verarbeitbarkeit | Das erleichtert das Verteilen, Glätten und Nivellieren. |
| Offene Zeitkontrolle | Dadurch haben die Arbeiter mehr Zeit, die Materialien aufzutragen und anzupassen. |
| Stütze gegen Durchhängen | Dadurch bleibt der vertikale Mörtel an seinem Platz. |
| Haftunterstützung | Es verbessert die Haftung zwischen Mörtel und Untergrund. |
| Rissverringerung | Es trägt dazu bei, einen schnellen Wasserverlust und ungleichmäßiges Trocknen zu verringern. |
Zhiwei HPMC 100K und HPMC 200K eignen sich als Testoptionen für Bausysteme mit hohem Füllstoffanteil. Sie sorgen für eine höhere Wasserrückhaltefähigkeit, eine längere Verarbeitungszeit und eine bessere vertikale Stabilität. Diese Typen eignen sich für Fliesenkleber, Wandspachtelmasse, Putz, WDVS-Mörtel und Reparaturmörtel.
HPMC für selbstnivellierenden Mörtel
Selbstnivellierender Mörtel muss fließfähig sein. Er muss sich auf dem Boden ausbreiten, ohne dass er manuell stark nachnivelliert werden muss. Gleichzeitig darf er keine gravierende Ausblutung, Entmischung oder Oberflächenschwäche aufweisen.
HPMC mit niedriger Viskosität eignet sich gut für dieses System. Es trägt dazu bei, Wasser zu binden, ohne den Mörtel zu schwer oder zu klebrig zu machen. Außerdem verringert es das Absetzen und verbessert die Pumpbarkeit.
Zhiwei HPMC 400 und HPMC 4K können in selbstnivellierendem Mörtel und anderen fließfähigen Bausystemen getestet werden. Diese Typen ermöglichen eine leichte Rheologiesteuerung und eine kontrollierte Wasserrückhaltung. Sie tragen dazu bei, dass die Mischung ihre Verteilbarkeit behält und gleichzeitig der Wasserverlust an der Oberfläche reduziert wird.
HPMC für Fliesenkleber
Fliesenkleber muss eine stabile Wasseraufnahmefähigkeit und eine gute Verarbeitungszeit aufweisen. Der Kleber muss vor dem Verlegen der Fliesen ausreichend Nasskontakt gewährleisten. Außerdem muss er sich gut auftragen lassen und eine gute Kantenstabilität aufweisen.
HPMC unterstützt Fliesenkleber in mehrfacher Hinsicht. Es bindet Wasser in der Klebeschicht. Es verbessert die Verarbeitbarkeit beim Auftragen. Es verlängert die Offene Zeit für die Ausrichtung der Fliesen. Es trägt dazu bei, das Absacken an senkrechten Flächen zu verringern. Außerdem sorgt es dafür, dass der Kleber während des Aushärtens eine bessere Struktur bildet.
Für Standard-Fliesenkleber kann Zhiwei HPMC 100K als Ausgangs-Testqualität verwendet werden. Für eine höhere Festigkeit und eine bessere Wasserbindung eignet sich Zhiwei HPMC 150K oder HPMC 200K kann getestet werden. Falls die Rezeptur zudem eine höhere Temperaturstabilität oder andere rheologische Eigenschaften erfordert, Zhiwei HEMC 100H oder HEMC 150H können ebenfalls verglichen werden.
HPMC für Wandspachtelmasse, Putz und Wärmedämmverbundsystem (WDVS)
Wandspachtelmasse und Ausgleichsspachtel müssen sich gleichmäßig auftragen lassen und eine gute Wasseraufnahmefähigkeit aufweisen. Das Material sollte sich gleichmäßig verteilen, kleine Unebenheiten ausgleichen und beim Trocknen nicht leicht Risse bilden.
Putz und WDVS-Mörtel erfordern Haftfestigkeit, Verarbeitbarkeit und Rissschutz. HPMC verbessert die Konsistenz des Mörtels und verhindert ein zu schnelles Austrocknen der Oberfläche. Außerdem trägt es dazu bei, die Festigkeit des Mörtels zu erhalten, indem es den Hydratationsprozess fortsetzen lässt.
Für diese Systeme eignen sich Zhiwei HPMC 100K und HPMC 200K, wenn eine höhere Festigkeit und eine längere Verarbeitungszeit erforderlich sind. Zhiwei HPMC 40K kann getestet werden, wenn die Rezeptur eine mittlere Viskosität und eine einfachere Anwendung erfordert.
HPMC für Zementputz und Spritzmörtel
HPMC verbessert die Gleichmäßigkeit von Zementputz. Es erleichtert das Auftragen des Putzes und verbessert die Standfestigkeit. Außerdem kann es die Pumpbarkeit und Verarbeitbarkeit verbessern.
Da HPMC Wasser bindet, verlängert es die Verarbeitungszeit. Es trägt dazu bei, dass Zementmörtel während des Aushärtens eine bessere mechanische Festigkeit entwickelt. Außerdem hilft es, Risse in der Beschichtung zu reduzieren und die Oberflächenglätte zu verbessern.
Bei Spritzmörtel muss die Konsistenz ein Gleichgewicht zwischen Pumpbarkeit und Standfestigkeit gewährleisten. Eine zu dünnflüssige Mischung kann abrutschen. Eine zu dickflüssige Mischung kann die Geräte verstopfen oder sich nur schwer versprühen lassen. Daher sind Konsistenzprüfungen erforderlich.
HPMC in Unterwasserbeton mit Auswaschschutz
Normalbeton kann beim Einbringen unter Wasser Zementpaste verlieren. Celluloseether kann dazu beitragen, das Auswaschen zu verringern. Er erhöht die Viskosität und verbessert den Zusammenhalt der Mischung.
Beim Unterwasserbau, wie beispielsweise beim Bau von Docks, Brücken oder bei Reparaturarbeiten mit Wasserkontakt, HPMC oder andere Celluloseether kann dazu beitragen, dass der Beton seine Form behält und Materialverluste verringert werden. Die Dosierung ist gering, doch die Wirkung kann erheblich sein. Die vollständige Rezeptur muss dennoch auf Fließverhalten, Festigkeit, Abbindezeit und Auswaschbeständigkeit geprüft werden.
HPMC bei der Suspensionspolymerisation von PVC
HPMC wird auch bei der Herstellung von Kunstharzen verwendet, insbesondere bei der PVC-Suspensionspolymerisation. In diesem System wirkt HPMC als Schutzkolloid und Dispergiermittel. Es verhindert, dass Monomertröpfchen und Polymerpartikel zusammenwachsen.
HPMC beeinflusst die Partikelgröße, die Partikelverteilung, die Porosität, die Schüttdichte, die Fließfähigkeit, die thermische Stabilität und das Verarbeitungsverhalten von PVC. Es kann zudem dazu beitragen, die Entfernung von Restmonomeren und die Weichmacherabsorption zu verbessern.
In vielen PVC-Systemen wird HPMC zusammen mit PVA eingesetzt. Als Ausgangspunkt kann ein Dispersionssystem aus PVA und HPMC-E50 verwendet werden. Es kann ein Gesamtdispergiermittelgehalt von etwa 0,05%–0,06% des VCM getestet werden, wobei HPMC-E50 etwa 40%–60% des Verbunddispergiermittels ausmacht. Das endgültige Verhältnis hängt von der Reaktorkonstruktion, der Rührbewegung, der Umwandlungsrate, der Polymerisationstemperatur und dem Wasser-Monomer-Verhältnis ab.
Zu den wichtigsten Faktoren, die die Morphologie von PVC-Partikeln beeinflussen, gehören:
| Faktor | Wirkung |
|---|---|
| Unruhe | Es beeinflusst die Tröpfchengröße, die Partikelgröße, die Verteilung und die Porosität. |
| Dispergiermittelsystem | Es steuert die Schutzstärke, die Kompaktheit der Partikel und deren Zusammenwachsen. |
| Konversionsrate | Es beeinflusst die Partikelstruktur und das Schrumpfverhalten. |
| Polymerisationstemperatur | Dies wirkt sich auf die Porosität der Partikel und den Schmelzgrad aus. |
| Verhältnis von Wasser zu Monomer | Dies wirkt sich auf die Viskosität, die Wärmeübertragung und die endgültige Partikelmorphologie aus. |
HPMC in Beschichtungen und Lacken
HPMC kann in Beschichtungen auf Wasserbasis als Verdickungsmittel, filmbildendes Hilfsmittel, Dispergiermittel und Emulsionsstabilisator eingesetzt werden. Es trägt dazu bei, die Lagerviskosität und die Verarbeitungsviskosität zu regulieren. Es kann das Tropfen und das Absacken während der Anwendung verringern.
HPMC kann in manchen Systemen zudem die Kontrolle der Oberflächenspannung, die Alkali- und Säurestabilität sowie die Pigmentverträglichkeit verbessern. Da Celluloseether Wasser stark absorbiert, sollte der Formulierer eine übermäßige Dosierung vermeiden, wenn die Wasserbeständigkeit von Bedeutung ist. Eine Sorte mit höherer Viskosität bei geringerer Dosierung kann dazu beitragen, die erforderliche Viskosität zu erreichen, ohne die Wasserbeständigkeit wesentlich zu beeinträchtigen.
HPMC in der Keramik
Wasserlösliche Celluloseether können bei der Keramikherstellung als umweltfreundliche Bindemittel eingesetzt werden. Nichtionische Celluloseether weisen einen geringen Aschegehalt auf. HPMC und verwandte Celluloseether können die Formfestigkeit verbessern und dazu beitragen, dass Keramikkörper vor dem Brennen ihre Form behalten.
HPMC kann zudem die Plastizität und das Verarbeitungsverhalten in keramischen Formgebungssystemen verbessern. Die ausgewählte Sorte sollte auf das Formgebungsverfahren, den Wassergehalt, das Trocknungsverhalten und die Anforderungen an die Rückstände abgestimmt sein.
HPMC in Anwendungen im Ölfeldbereich
HPMC und andere Celluloseether können in Bohrflüssigkeiten, Zementierflüssigkeiten und Fracking-Flüssigkeiten eingesetzt werden. Sie können als Verdickungsmittel, Suspensionsmittel, Mittel zur Verringerung des Flüssigkeitsverlusts und Rheologiemodifikatoren dienen.
Ein guter Celluloseether für den Einsatz in Ölfeldern muss salzbeständig sein, seine Viskosität beibehalten und den Flüssigkeitsverlust verringern. HPMC ist nichtionisch und bleibt daher in vielen elektrolythaltigen Systemen stabil. Ein zu hoher Elektrolytgehalt kann jedoch dennoch zu Gelbildung oder Ausfällungen führen. Daher sind Feldversuche erforderlich.
HPMC in der Pharma- und Lebensmittelindustrie
HPMC wird in vielen pharmazeutischen Systemen als Bindemittel, Verdickungsmittel, Suspensionsmittel, Stabilisator, Filmüberzugsmittel, Material für die kontrollierte Freisetzung und als Träger für Zerfallsmittel eingesetzt. HPMC mit niedriger Viskosität kann in Filmsystemen verwendet werden. HPMC mit hoher Viskosität eignet sich für Systeme mit verzögerter und kontrollierter Freisetzung.
HPMC kann transparente und zähe Filme bilden. Es kann zudem die Stabilität von Tabletten verbessern und Farbveränderungen bei empfindlichen Stoffen verringern. HPMC-Esterderivate wie HPMCP werden in magensaftresistenten Überzugssystemen eingesetzt, bei denen das Freisetzungsverhalten vom pH-Wert abhängt.
In Lebensmittelsystemen kann HPMC als Verdickungsmittel, Stabilisator, Emulgator und Gelbildner eingesetzt werden. Durch seine thermische Gelierung kann es bei einigen erhitzten Lebensmitteln zur Bildung einer Schutzschicht beitragen. Für Anwendungen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie sind die richtige Qualität, entsprechende Unterlagen und behördliche Zulassungen erforderlich. HPMC in Bauqualität sollte nicht in Lebensmitteln oder Arzneimitteln verwendet werden.
Leitfaden zur Auswahl von HPMC-Typen
| Anmeldung | Hauptbedarf | Zhiwei-Note zur Prüfung |
|---|---|---|
| Selbstnivellierender Mörtel | Fließverhalten, Lichtviskosität, Wasserrückhaltevermögen | HPMC 400, HPMC 4K |
| Fliesenkleber | Wasserrückhaltung, Verarbeitungszeit, vertikale Stabilität | HPMC 100K, HPMC 150K, HPMC 200K |
| Wandspachtel und Spachtelmasse | Leichtes Auftragen, Fülle, Feuchtigkeitsspeicherung | HPMC 40K, HPMC 100K |
| Wandverkleidungssystem (EIFS) und Reparaturmörtel | Absackschutz, Haftvermittlung, Verarbeitbarkeit | HPMC 100K, HPMC 200K |
| Gipsprodukte | Gleichmäßiges Mischen und kontrollierte Konsistenz | HPMC 400, HPMC 4K, HPMC 40K |
| Beschichtungen | Verdickung und Lagerstabilität | HPMC 40K, HPMC 100K oder im Vergleich zu HEC/HEMC |
| Alltägliche chemische Systeme | Konsistenz, Stabilität, Verdickung | HPMC 100K, HPMC 150K, HPMC 200K |
Die optimale Körnung sollte durch einen kleinen Labortest bestätigt werden. Zementart, Sandkörnung, Füllstoff, Polymerpulver, Wasserverhältnis, Temperatur und Mischreihenfolge können das Endergebnis beeinflussen.
Schlussfolgerung
HPMC ist ein vielseitiger Celluloseether, der in wasserbasierten industriellen Systemen einen hohen Nutzen bietet. Er kann als Verdickungsmittel dienen, Wasser binden, Partikel stabilisieren, Filme bilden, die Verarbeitbarkeit verbessern und die Haftung fördern. Dank dieser Eigenschaften findet es Anwendung in Baustoffen, bei der PVC-Suspensionspolymerisation, in Beschichtungen, Keramiken, Ölfeldflüssigkeiten, Papier, Textilien, Konsumchemikalien, Lebensmitteln und pharmazeutischen Systemen.
Im Bereich der Baustoffe spielt HPMC eine besonders wichtige Rolle. Es verbessert bereits bei geringer Dosierung die Eigenschaften von Trockenmörtel. Es trägt dazu bei, dass Fliesenkleber Öffnungszeiten sowie vertikale Stabilität. Es sorgt dafür, dass selbstnivellierender Mörtel seine Fließfähigkeit behält und gleichzeitig das Ausbluten verringert. Es trägt dazu bei, dass Putz, Spachtelmasse, Wärmedämmverbundsysteme (WDS) und Reparaturmörtel ein besseres Verarbeitungs- und Aushärtungsverhalten aufweisen.
Zhiwei (Jinan) New Materials Co., Ltd. bietet praktische HPMC-Typen für unterschiedliche Viskositätsanforderungen an. Zhiwei HPMC 400 und HPMC 4K eignen sich für fließfähige Systeme. Zhiwei HPMC 100K und HPMC 200K eignen sich für Trockenmischsysteme mit hoher Konsistenz, die eine stärkere Wasserbindung, längere Verarbeitungszeit und einen besseren Schutz vor Absacken erfordern. Für Hersteller ist das die richtige HPMC-Sorte kann die Rezeptur stabiler, einfacher in der Anwendung und in der Produktion besser reproduzierbar machen.