Introduction
Hydroxypropylméthylcellulose, généralement appelé HPMC, est un agent non ionique éther de cellulose. Il est obtenu à partir de cellulose naturelle par modification chimique. Il est utilisé dans de nombreux systèmes à base d'eau car il permet d'épaissir, de retenir l'eau, d'améliorer la maniabilité, de former des films, de stabiliser les particules et de favoriser l'adhérence.
L'HPMC est largement utilisé dans matériaux de construction, revêtements, polymérisation en suspension du PVC, céramiques, fluides pour champs pétroliers, papier, encollage textile, produits chimiques d'usage quotidien, systèmes alimentaires et formulations pharmaceutiques. Dans les mortiers prêts à l'emploi, un dosage très faible peut modifier complètement le comportement du matériau à la mise en œuvre. Dans les colles à carrelage, l’HPMC aide le mortier à retenir l’eau, à rester malléable et à conserver des arêtes stables. Dans les mortiers autonivelants, l’HPMC à faible viscosité aide à contrôler le saignement tout en préservant la fluidité.
La société Zhiwei (Jinan) New Materials Co., Ltd. fournit différentes qualités d'HPMC destinées au secteur du bâtiment et aux systèmes à base d'eau. Zhiwei HPMC 400 et HPMC 4K sont utiles pour les systèmes fluides et le contrôle léger de la rhéologie. Zhiwei HPMC 100K et HPMC 200K sont conçus pour les systèmes de mélange à sec à haute viscosité, tels que les colles à carrelage, les enduits muraux, les plâtres, les mortiers pour systèmes d'isolation par l'extérieur (EIFS) et les mortiers de réparation.
Qu'est-ce que le HPMC ?
L'HPMC est un éther mixte de cellulose. Son nom complet est « hydroxypropylméthylcellulose ». Il est obtenu à partir de la cellulose par alcalinisation, éthérification, neutralisation, lavage, séchage et broyage.
La source de cellulose est généralement coton raffiné ou de la pâte de bois. La cellulose est un polymère renouvelable constitué d'unités de glucose. Chaque unité de glucose comporte des groupes hydroxyles. Ces groupes permettent à la cellulose de réagir et de se transformer en éther de cellulose. Une fois modifiée, l'HPMC devient soluble dans l'eau froide et acquiert des propriétés industrielles utiles.
L'HPMC se présente généralement sous forme de poudre blanche ou blanc cassé. Elle est pratiquement inodore. Elle peut être fibreuse ou granuleuse selon le procédé de fabrication et le traitement des particules.
Principales propriétés de l'HPMC
L'HPMC possède plusieurs propriétés qui en font un ingrédient précieux dans les formulations.
| Propriété | Signification pratique |
|---|---|
| Solubilité dans l'eau | L'HPMC se dissout dans l'eau froide et forme une solution colloïdale limpide ou légèrement trouble. |
| Épaississement | L'HPMC augmente la viscosité dans les systèmes à base d'eau. |
| Rétention d'eau | L'HPMC retient l'eau dans le ciment, le plâtre, le mortier et d'autres matériaux poreux. |
| Formation d'un film | L'HPMC peut former des films incolores, transparents et résistants. |
| Activité de surface | L'HPMC peut faciliter l'émulsification, la dispersion et la protection des particules. |
| stabilité du pH | La solution d'HPMC reste relativement stable sur une large plage de pH, souvent comprise entre 3 et 11 environ. |
| Tolérance au sel | L'HPMC étant non ionique, il présente une meilleure stabilité que de nombreux polymères ioniques dans les systèmes électrolytiques. |
| Gélification thermique | L'HPMC se dissout dans l'eau froide, mais peut se gélifier ou devenir trouble lorsqu'il est chauffé. |
| Résistance aux enzymes | L'HPMC présente une meilleure résistance à l'attaque enzymatique que de nombreux systèmes à base d'amidon ou de sucre d'origine naturelle. |
| Thixotropie | L'HPMC peut contribuer à rendre les matériaux plus faciles à appliquer sous l'effet du cisaillement et plus stables après application. |
Ces propriétés expliquent pourquoi l'HPMC est parfois qualifié d'additif « à faible dosage et à fort impact ». Dans de nombreuses formulations de construction, son dosage n'est que de l'ordre de 0,1% à 1,0%, mais son effet est significatif.
Solubilité de l'HPMC et méthodes de dissolution
L'HPMC est soluble dans l'eau froide. Il est pratiquement insoluble dans l'éthanol absolu, l'éther et l'acétone. Il peut également se dissoudre dans certains mélanges d'eau et de solvants organiques.
Le processus de dissolution est important. Si l'HPMC est ajouté directement dans de l'eau froide trop rapidement, il peut former des grumeaux. Deux méthodes courantes peuvent vous aider.
La première méthode est celle de la dispersion dans l'eau chaude. Le formulateur ajoute environ les deux tiers de la quantité d'eau nécessaire sous forme d'eau chaude à plus de 80 °C. L'HPMC ne se dissout pas immédiatement dans l'eau chaude, ce qui permet une dispersion homogène. On ajoute ensuite de l'eau froide ou de l'eau glacée. La solution est agitée jusqu'à ce que la viscosité s'installe.
La deuxième méthode est celle du mouillage organique. L'HPMC est d'abord mouillé avec de l'éthanol, de l'éthylène glycol, de l'huile ou un autre milieu approprié. On ajoute ensuite de l'eau. Cela permet à la poudre de se disperser avant le début de l'hydratation.
En mortier prêt à l'emploi, De nombreuses qualités commerciales d'HPMC présentent une solubilité retardée. Cela facilite la dispersion de la poudre pendant le mélange et réduit la formation de grumeaux.
Comment la substitution influe sur les performances de l'HPMC
Les performances de l'HPMC dépendent de sa teneur en groupes méthoxy, de sa teneur en groupes hydroxypropoxy, de son degré de substitution, de sa substitution molaire et de sa viscosité.
Une teneur plus élevée en groupes méthoxy, associée à une teneur plus faible en groupes hydroxypropoxy, confère généralement une meilleure solubilité dans l'eau et une meilleure activité de surface. Elle tend également à abaisser la température de gélification. Une augmentation adéquate de la teneur en groupes hydroxypropoxy peut faire monter la température de gélification, mais une teneur trop élevée en groupes hydroxypropoxy peut à nouveau la faire baisser.
C'est pourquoi les différentes qualités d'HPMC ne sont pas interchangeables simplement en raison de leur nom. Deux produits peuvent tous deux être appelés « HPMC », mais leur comportement peut varier dans les mortiers, les revêtements, le PVC ou les préparations chimiques d'usage quotidien. La viscosité, le type de substitution, la température de gélification, la taille des particules et le traitement de surface ont tous une incidence sur le résultat final.
L'HPMC dans les matériaux de construction
Le bâtiment est l'un des principaux domaines d'application de l'HPMC. L'HPMC peut être utilisé dans les mortiers de ciment, colle à carrelage, mastic mural, plâtre, mortier EIFS, produits à base de gypse, mortier autonivelant, mortier de réparation et mortier décoratif.
Dans le domaine des matériaux de construction, l'HPMC est principalement utilisé comme :
| Fonction | Effet dans le mortier |
|---|---|
| Rétention d'eau | Cela permet de maintenir une réserve d'eau pour l'hydratation du ciment ou du plâtre. |
| Épaississement | Il confère de la consistance au mortier et facilite sa mise en œuvre. |
| Amélioration de la maniabilité | Cela facilite l'étalement, le lissage et le nivellement. |
| Contrôle du temps libre | Cela laisse aux ouvriers plus de temps pour appliquer et ajuster les matériaux. |
| Soutien anti-affaissement | Cela permet au mortier vertical de rester en place. |
| Soutien à l'adhésion | Cela améliore l'adhérence entre le mortier et le support. |
| Réduction des fissures | Cela permet de limiter les pertes d'eau rapides et un séchage inégal. |
Les produits Zhiwei HPMC 100K et HPMC 200K constituent des options adaptées aux systèmes de construction à haute consistance. Ils offrent une meilleure rétention d'eau, un temps ouvert plus long et une meilleure stabilité verticale. Ces grades sont particulièrement adaptés aux colles à carrelage, aux enduits muraux, aux plâtres, aux mortiers pour systèmes d'isolation par l'extérieur (EIFS) et aux mortiers de réparation.
HPMC pour mortier autonivelant
Un mortier autonivelant doit présenter une bonne fluidité. Il doit s'étaler sur le sol en ne nécessitant qu'un nivellement manuel minimal. Parallèlement, il ne doit pas présenter de saignement important, de ségrégation ni de fragilité en surface.
L'HPMC à faible viscosité est utile dans ce système. Il permet de retenir l'eau sans alourdir ni rendre le mortier trop collant. Il contribue également à réduire le tassement et améliore la pompabilité.
Les produits Zhiwei HPMC 400 et HPMC 4K peuvent être testés dans des mortiers autonivelants et d’autres systèmes de construction fluides. Ces grades permettent un contrôle léger de la rhéologie et une rétention d’eau maîtrisée. Ils aident la formulation à conserver sa capacité d’étalement tout en réduisant la perte d’eau en surface.
HPMC pour colle à carrelage
Une colle à carrelage doit présenter une rétention d'eau stable et un bon temps ouvert. Elle doit conserver un contact humide suffisant avant la pose du carrelage. Elle doit également offrir une bonne prise en main à la truelle et une bonne stabilité des crêtes.
L'HPMC apporte plusieurs avantages à la colle à carrelage. Il permet de retenir l'eau dans la couche de colle. Il améliore la maniabilité lors de l'application. Il prolonge le temps ouvert, ce qui facilite le positionnement des carreaux. Il contribue à réduire l'affaissement sur les surfaces verticales. Il aide également la colle à former une structure plus solide pendant le durcissement.
Pour une colle à carrelage standard, le Zhiwei HPMC 100K peut être utilisé comme produit de référence pour les premiers essais. Pour obtenir une consistance plus ferme et une meilleure rétention d'eau, le Zhiwei HPMC 150K ou le HPMC 200K peuvent être testés. Si la formule nécessite également une meilleure stabilité à haute température ou des propriétés rhéologiques différentes, Zhiwei HEMC 100H ou HEMC 150H peuvent également être comparés.
HPMC pour les enduits muraux, le plâtre et les systèmes d'isolation par l'extérieur (EIFS)
Le mastic mural et la couche de lissage doivent être appliqués de manière homogène et présenter une bonne rétention d'eau. Le produit doit s'étaler uniformément, combler les petits défauts et sécher sans se fissurer facilement.
Le plâtre et le mortier EIFS nécessitent une bonne adhérence, une bonne maniabilité et une protection anti-fissuration. L'HPMC améliore la consistance du mortier et ralentit le séchage rapide en surface. Il aide également le mortier à conserver sa résistance en permettant à l'hydratation de se poursuivre.
Pour ces systèmes, les produits Zhiwei HPMC 100K et HPMC 200K s'avèrent utiles lorsqu'une consistance plus ferme et un temps ouvert plus long sont requis. Zhiwei HPMC 40K peut être testée lorsque la formule nécessite une viscosité modérée et une application plus aisée.
HPMC pour enduits de ciment et mortiers projetés
L'HPMC améliore l'uniformité des enduits à base de ciment. Il facilite l'application de l'enduit et améliore sa résistance à l'affaissement. Il peut également améliorer la pompabilité et la maniabilité.
Comme l'HPMC retient l'eau, il prolonge le temps de mise en œuvre. Il contribue à améliorer la résistance mécanique du mortier de ciment pendant le durcissement. Il permet également de réduire les fissures dans le revêtement et d'améliorer la finesse de la surface.
Pour le mortier projeté, la consistance doit offrir un bon équilibre entre pompabilité et résistance à l'affaissement. Une préparation trop fluide risque de glisser. Une préparation trop épaisse risque d'obstruer l'équipement ou de devenir difficile à projeter. Il est nécessaire de tester la consistance.
L'HPMC dans le béton sous-marin résistant au lessivage
Le béton ordinaire peut perdre de la pâte de ciment lorsqu'il est mis en œuvre sous l'eau. L'éther de cellulose peut contribuer à réduire ce phénomène de lessivage. Il augmente la viscosité et améliore la cohésion du mélange.
Dans le domaine de la construction sous-marine, comme les quais, les ponts ou les travaux de réparation en contact avec l'eau, HPMC ou autres éthers de cellulose peut aider le béton à conserver sa forme et à réduire les pertes de matériau. Le dosage est faible, mais l'effet peut être important. La formule complète doit néanmoins être testée pour évaluer sa fluidité, sa résistance, son temps de prise et ses performances anti-lavage.
L'HPMC dans la polymérisation en suspension du PVC
L'HPMC est également utilisé dans la production de résines synthétiques, notamment dans la polymérisation en suspension du PVC. Dans ce système, l'HPMC agit comme colloïde protecteur et dispersant. Il contribue à empêcher la coalescence des gouttelettes de monomère et des particules de polymère.
L'HPMC influe sur la taille des particules de PVC, la distribution granulométrique, la porosité, la densité apparente, la fluidité, la stabilité thermique et les performances de transformation. Il peut également contribuer à améliorer l'élimination des monomères résiduels et l'absorption des plastifiants.
Dans de nombreux systèmes à base de PVC, l'HPMC est utilisé en association avec le PVA. Un système dispersant composite à base de PVA et d'HPMC-E50 peut servir de point de départ. On peut tester une concentration totale en dispersant comprise entre environ 0,051 TP3T et 0,061 TP3T de VCM, l'HPMC-E50 représentant environ 401 TP3T à 601 TP3T du dispersant composite. Le rapport final dépend de la conception du réacteur, de l'agitation, du taux de conversion, de la température de polymérisation et du rapport eau/monomère.
Parmi les facteurs clés qui influencent la morphologie des particules de PVC, on peut citer :
| Facteur | Effet |
|---|---|
| Agitation | Cela influe sur la taille des gouttelettes, la taille des particules, leur répartition et la porosité. |
| Système de dispersion | Il permet de contrôler l'efficacité de la protection, la densité des particules et leur agglomération. |
| Taux de conversion | Cela influe sur la structure des particules et leur comportement au retrait. |
| Température de polymérisation | Cela influe sur la porosité des particules et le degré de fusion. |
| Rapport eau/monomère | Cela influe sur la viscosité, le transfert thermique et la morphologie finale des particules. |
L'HPMC dans les revêtements et les peintures
L'HPMC peut être utilisé dans les revêtements à base d'eau comme épaississant, agent filmogène, dispersant et stabilisateur d'émulsion. Il permet de contrôler la viscosité de stockage et la viscosité d'application. Il permet de réduire les coulures et l'affaissement lors de l'application.
L'HPMC peut également améliorer le contrôle de la tension superficielle, la stabilité face aux alcalis et aux acides, ainsi que la compatibilité avec les pigments dans certains systèmes. L'éther de cellulose présentant une forte capacité d'absorption d'eau, le formulateur doit éviter un dosage excessif lorsque la résistance à l'eau est un critère important. L'utilisation d'une variété à viscosité plus élevée à un dosage plus faible peut permettre d'atteindre la viscosité requise tout en réduisant l'impact sur la résistance à l'eau.
L'HPMC dans la céramique
Les éthers de cellulose hydrosolubles peuvent être utilisés comme liants écologiques dans la fabrication de céramiques. Les éthers de cellulose non ioniques présentent une faible teneur en cendres. L'HPMC et les éthers de cellulose apparentés peuvent renforcer la résistance à la mise en forme et aider les masses céramiques à conserver leur forme avant la cuisson.
L'HPMC peut également améliorer la plasticité et le comportement à la mise en œuvre dans les systèmes de moulage céramique. La qualité choisie doit être adaptée à la méthode de moulage, à la teneur en eau, au comportement au séchage et aux exigences en matière de résidus.
L'HPMC dans les applications pétrolières
L'HPMC et d'autres éthers de cellulose peuvent être utilisés dans les fluides de forage, les fluides de cimentation et les fluides de fracturation. Ils peuvent servir d'épaississants, d'agents de suspension, d'agents réduisant la perte de fluide et de modificateurs de rhéologie.
Un éther de cellulose de bonne qualité destiné aux champs pétroliers doit résister au sel, conserver sa viscosité et réduire les pertes de fluide. L'HPMC présentant un caractère non ionique, il peut rester stable dans de nombreux systèmes contenant des électrolytes. Toutefois, une concentration excessive en électrolytes peut tout de même entraîner une gélification ou une précipitation. Des essais sur le terrain sont nécessaires.
L'HPMC dans les secteurs pharmaceutique et alimentaire
L'HPMC est utilisé dans de nombreuses formulations pharmaceutiques comme liant, épaississant, agent de suspension, stabilisant, matériau d'enrobage, matériau à libération contrôlée et support de désagrégation. L'HPMC à faible viscosité peut être utilisé dans les systèmes d'enrobage. L'HPMC à haute viscosité peut être utilisé dans les systèmes à libération prolongée et à libération contrôlée.
L'HPMC permet de former des films transparents et résistants. Il peut également améliorer la stabilité des comprimés et limiter l'altération de la couleur des substances sensibles. Les dérivés estérifiés de l'HPMC, tels que l'HPMCP, sont utilisés dans les systèmes d'enrobage entérique où le profil de libération dépend du pH.
Dans les systèmes alimentaires, l'HPMC peut servir d'épaississant, de stabilisant, d'émulsifiant et d'agent gélifiant. Sa gélification thermique peut contribuer à la formation d'une couche protectrice dans certains aliments chauffés. Les applications alimentaires et pharmaceutiques nécessitent une qualité adaptée, une documentation appropriée et une autorisation réglementaire. L'HPMC destiné au secteur du bâtiment ne doit pas être utilisé dans les domaines alimentaire ou médical.
Guide de sélection des qualités d'HPMC
| Application | Besoin principal | Niveau de Zhiwei à évaluer |
|---|---|---|
| Mortier autolissant | Fluidité, viscosité à la lumière, rétention d'eau | HPMC 400, HPMC 4K |
| Colle à carreaux | Rétention d'eau, temps ouvert, stabilité verticale | HPMC 100K, HPMC 150K, HPMC 200K |
| Mastic mural et couche de finition | Application facile, texture onctueuse, hydratation | HPMC 40K, HPMC 100K |
| Système EIFS et mortier de réparation | Résistance à l'affaissement, adhérence, maniabilité | HPMC 100K, HPMC 200K |
| Produits à base de gypse | Un mélange homogène et une consistance maîtrisée | HPMC 400, HPMC 4K, HPMC 40K |
| Revêtements | Épaississement et stabilité au stockage | HPMC 40K, HPMC 100K, ou comparer avec HEC/HEMC |
| Systèmes chimiques quotidiens | Texture, stabilité, épaississement | HPMC 100K, HPMC 150K, HPMC 200K |
La composition optimale doit être validée par un petit essai en laboratoire. Le type de ciment, la granulométrie du sable, les adjuvants, la poudre de polymère, le rapport d'eau, la température et l'ordre de mélange sont autant de facteurs susceptibles d'influencer le résultat final.
Conclusion
L'HPMC est un éther de cellulose polyvalent qui présente un grand intérêt dans les systèmes industriels à base d'eau. Il permet d'épaissir, de retenir l'eau, de stabiliser les particules, de former des films, d'améliorer l'ouvrabilité et de favoriser l'adhérence. Ces propriétés le rendent utile dans les matériaux de construction, la polymérisation en suspension du PVC, les revêtements, la céramique, les fluides pour champs pétroliers, le papier, les textiles, les produits chimiques d'usage quotidien, l'alimentation et les systèmes pharmaceutiques.
Dans le domaine des matériaux de construction, l'HPMC revêt une importance particulière. Il améliore les performances du mortier prêt à l'emploi, même à faible dosage. Il contribue à ce que la colle à carrelage conserve horaires d'ouverture et la stabilité verticale. Il permet au mortier autonivelant de conserver sa fluidité tout en réduisant le saignement. Il améliore la maniabilité et le comportement au durcissement du plâtre, du mastic, des systèmes d'isolation par l'extérieur (EIFS) et du mortier de réparation.
Zhiwei (Jinan) New Materials Co, Ltd. propose des grades d'HPMC adaptés à différents besoins en matière de viscosité. Les HPMC 400 et HPMC 4K de Zhiwei conviennent aux systèmes fluides. Les HPMC 100K et HPMC 200K de Zhiwei conviennent aux systèmes de mélange à sec à haute consistance qui nécessitent une meilleure rétention d’eau, un temps ouvert plus long et une meilleure résistance à l’affaissement. Pour les fabricants, le la bonne qualité de HPMC peut rendre la formule plus stable, plus facile à appliquer et plus reproductible en production.