Introdução
O hidroxipropilmetilcelulose O processo de produção transforma a celulose natural num éter de celulose versátil e solúvel em água. Os fabricantes utilizam reações controladas de alcalinização e eterificação para introduzir grupos metoxi e hidroxipropoxi na celulose.
Esta modificação química confere à HPMC várias funções valiosas. A HPMC pode espessar sistemas à base de água, reter água, estabilizar partículas, formar películas, melhorar a adesão e controlar a reologia. Estas funções tornam a HPMC útil em materiais de construção, revestimentos, produtos químicos de uso diário, produção de PVC, sistemas alimentares, formulações farmacêuticas, cerâmica, têxteis e adesivos.
No entanto, o desempenho da HPMC não depende apenas da viscosidade. A fonte de celulose, o nível de substituição, a eficiência da reação, o processo de lavagem, o tamanho das partículas, a humidade, as cinzas e o tratamento de superfície são fatores que afetam o produto final. A fabricante de HPMC de confiança tem de controlar todo o processo de produção.
O que é a hidroxipropilmetilcelulose?
Hidroxipropilmetilcelulose, comumente designado por HPMC, é um éter de celulose não iónico. É derivado de celulose natural, como, por exemplo, algodão refinado ou pasta de madeira.
A celulose natural não se dissolve facilmente na água. O processo de produção do HPMC substitui alguns grupos hidroxilo na cadeia da celulose por grupos metoxi e hidroxipropoxi. Esta modificação altera a solubilidade e o comportamento funcional da celulose.
O produto HPMC acabado é normalmente um pó branco ou esbranquiçado. É geralmente inodoro e apresenta boa solubilidade em água fria. A sua solução aquosa pode ser límpida ou ligeiramente turva, dependendo do tipo e da concentração.
O HPMC apresenta várias propriedades importantes:
| Propriedades do HPMC | Função prática |
|---|---|
| Solubilidade na água | Forma uma solução viscosa em água fria |
| Espessamento | Aumenta a viscosidade e a consistência do produto |
| Retenção de água | Retarda a perda de água em sistemas de cimento e gesso |
| Formação de película | Cria uma película contínua e transparente |
| Estabilização da emulsão | Ajuda a estabilizar as fases dispersas |
| Ação protetora do colóide | Reduz a aglomeração de partículas |
| Encadernação | Melhora a coesão e a aderência |
| Controlo reológico | Ajusta o fluxo, o nivelamento e o comportamento anti-afundamento |
| Estabilidade em meio ácido e alcalino | Funciona em diversas formulações à base de água |
| Resistência enzimática | Oferece uma melhor estabilidade de armazenamento do que muitos polímeros naturais |
Principais matérias-primas utilizadas no fabrico de HPMC
As principais matérias-primas do HPMC são a celulose refinada, o hidróxido de sódio, o cloreto de metilo e o óxido de propileno.
Celulose refinada
O algodão refinado é uma fonte comum de celulose. Alguns fabricantes também utilizam pasta de madeira de elevada pureza. A fonte de celulose influencia o grau de polimerização, a pureza, a viscosidade final, a cor e a matéria insolúvel.
O fabricante deve controlar a humidade da celulose e o teor de alfa-celulose. Uma fonte estável de celulose contribui para melhorar a consistência dos lotes.
Hidróxido de sódio
O hidróxido de sódio ativa a celulose. Rompe parte da estrutura das ligações de hidrogénio e transforma a celulose em celulose alcalina.
A concentração e a distribuição do hidróxido de sódio afetam a uniformidade da reação. Uma alcalinização inadequada pode provocar uma substituição desigual e a formação de partículas insolúveis.
Cloreto de metilo
O cloreto de metilo introduz grupos metoxi na estrutura da celulose. O teor de metoxi afeta a solubilidade em água, a gelificação térmica, a atividade superficial e o desempenho na aplicação.
O cloreto de metilo é volátil e requer equipamento fechado e resistente à pressão. Uma unidade de produção moderna deve controlar as fugas, a recuperação e a exposição dos trabalhadores.
Óxido de propileno
O óxido de propileno introduz grupos hidroxipropoxi. Estes grupos ajudam a ajustar a solubilidade, a temperatura de gelificação, a flexibilidade e a compatibilidade.
A proporção entre as substituições metoxi e hidroxipropoxi é uma das principais diferenças entre os tipos de HPMC.
Meios de processamento e materiais auxiliares
O processo pode também utilizar solventes, meios de lavagem, agentes neutralizantes e materiais antiaglomerantes. O fabricante deve recuperar ou tratar estes materiais de forma adequada, a fim de melhorar a eficiência e reduzir as emissões.
Processo de produção de hidroxipropilmetilcelulose
Um processo típico de fabrico de HPMC inclui oito etapas principais:
- Preparação da celulose
- Alcalinização
- Eterificação
- Conclusão da reação
- Neutralização
- Lavagem e purificação
- Secagem e processamento de partículas
- Controlo de qualidade e embalagem
Cada etapa tem impacto no produto final.
Passo 1: Preparação da celulose
O fabricante começa por limpar e tratar o algodão refinado ou a pasta de madeira. A celulose é cortada, desfiada ou pulverizada para criar uma estrutura de partículas adequada.
Um tamanho uniforme das partículas melhora o contacto entre a celulose e o hidróxido de sódio. Além disso, ajuda os agentes de eterificação a atingirem a celulose de forma mais uniforme.
O nível de humidade da celulose deve permanecer estável. Uma humidade excessiva pode consumir os reagentes e afetar a substituição. A celulose muito seca também pode tornar-se difícil de humedecer uniformemente.
Passo 2: Alcalinização
O fabricante trata a celulose com uma solução de hidróxido de sódio. Esta etapa produz celulose alcalina.
A alcalinização faz com que as fibras de celulose inchem. Esse inchaço abre a estrutura e torna os grupos hidroxilo mais acessíveis aos agentes de eterificação.
O fabricante deve controlar vários fatores:
- Concentração de hidróxido de sódio
- Relação entre a celulose e o álcali
- Uniformidade da mistura
- Tempo de reação
- Temperatura
- Humidade da celulose
Uma alcalinização irregular pode conduzir a uma viscosidade instável, a um elevado teor de matéria insolúvel e a uma má dissolução.
Passo 3: Eterificação
O fabricante faz reagir a celulose alcalina com cloreto de metilo e óxido de propileno. O cloreto de metilo introduz grupos metoxi, enquanto o óxido de propileno introduz grupos hidroxipropoxi.
A unidade deve utilizar um reator fechado com agitação, controlo de temperatura e controlo de pressão fiáveis. As condições de reação afetam a eficiência da substituição e a uniformidade do produto.
Podem ser utilizados dois métodos principais de eterificação.
Eterificação em uma única etapa
O método de uma única etapa realiza a metilação e a hidroxipropilação na mesma fase geral da reação.
Este método pode simplificar o percurso de produção e encurtar o processo. No entanto, o fabricante deve controlar cuidadosamente a distribuição da reação. Um controlo inadequado pode resultar numa substituição desigual.
Eterificação por etapas
O método por etapas separa a hidroxipropilação e a metilação em fases distintas.
Este método proporciona ao fabricante um maior controlo sobre a distribuição de substituições e sobre determinados indicadores de desempenho. No entanto, o processo requer mais tempo, controlo do equipamento e etapas operacionais.
Nenhum dos métodos é automaticamente melhor para todos os produtos. O fabricante deve selecionar o processo de acordo com o grau pretendido, a viscosidade, a gama de substituição, a temperatura de gelificação e a aplicação.
Passo 4: Conclusão da reação
O fabricante prossegue a reação até que se atinja o nível de substituição pretendido. O ponto final da reação influencia o teor de metoxo, o teor de hidroxipropoxi, a solubilidade e a temperatura de gelificação.
A equipa responsável pelo processo deve monitorizar a temperatura, a pressão, o tempo de reação e o consumo de reagentes. O fabricante deve também controlar a degradação da celulose, uma vez que uma degradação excessiva reduz o peso molecular e a viscosidade.
Passo 5: Neutralização
O produto da reação contém álcalis e subprodutos da reação. O fabricante neutraliza o material antes da lavagem.
O processo de neutralização deve ser uniforme. Uma neutralização incompleta pode afetar o pH e a estabilidade de armazenamento. Um excesso de agente neutralizante pode aumentar o teor de cinzas ou de sal.
Passo 6: Lavagem e purificação
O fabricante lava o HPMC bruto para remover o cloreto de sódio, os resíduos alcalinos, os produtos químicos que não reagiram e outros subprodutos do processo.
A lavagem tem um impacto significativo na pureza do produto. Uma lavagem inadequada pode resultar num elevado teor de cinzas, num odor invulgar, num pH instável e numa dissolução deficiente.
A unidade deve também encontrar um equilíbrio entre a pureza e a perda de produto. Uma lavagem excessiva pode reduzir o rendimento e aumentar a quantidade de águas residuais.
Passo 7: Secagem, granulação e moagem
O HPMC lavado contém uma grande quantidade de humidade. O fabricante seca-o em condições controladas.
Uma temperatura excessiva pode danificar o polímero e reduzir a viscosidade. Uma secagem incompleta pode provocar a formação de grumos e comprometer a estabilidade de armazenamento.
Após a secagem, o fabricante pode granular ou moer a HPMC. O processamento das partículas afeta:
- Fluxo de pó
- Nível de poeira
- Velocidade de dissolução
- Resistência aos grumos
- Dispersão de mistura a seco
- Eficiência na embalagem
Alguns tipos requerem uma dissolução rápida. Outros tipos recorrem à solubilidade retardada para melhorar a dispersão antes do início da hidratação.
Passo 8: Controlo de qualidade e embalagem
O fabricante testa todos os lotes de produção antes da embalagem. Os indicadores de qualidade mais importantes incluem:
| Item de teste | Porque é que é importante |
|---|---|
| Viscosidade | Controla o espessamento e a reologia |
| Teor de metoxi | Afeta a solubilidade e o comportamento do gel |
| Teor de hidroxipropoxi | Isso afeta a compatibilidade e a temperatura do gel |
| Humidade | Afeta o armazenamento e o conteúdo ativo |
| Cinza | Indica a presença de sais e resíduos inorgânicos |
| pH | Isso afeta a compatibilidade da formulação |
| Tamanho das partículas | Isso afeta a dispersão e a dissolução |
| Matéria insolúvel | Mostra a qualidade da reação e da purificação |
| Temperatura do gel | Ajuda a adaptar o HPMC à aplicação |
| Aparência | Ajuda a identificar contaminação ou variações no processo |
O fabricante deve embalar o HPMC em sacos resistentes à humidade. O HPMC é higroscópico, pelo que o armazém deve permanecer seco e bem ventilado.
Consumo representativo de matérias-primas
Um balanço de processo representativo de uma época anterior para uma tonelada métrica de HPMC utilizava aproximadamente:
| Matéria-prima | Consumo representativo |
|---|---|
| Algodão refinado, com teor de humidade não superior a 6% | 0,93 toneladas |
| Solução de hidróxido de sódio, pelo menos 50% | 1,15 toneladas |
| Cloreto de metilo, com uma pureza mínima de 99% | 0,75 toneladas |
| Óxido de propileno, com uma pureza mínima de 99% | 0,25 toneladas |
Estes valores não constituem especificações de produção universais. O consumo atual depende dos objetivos de substituição, da eficiência da reação, do equipamento de recuperação, do rendimento do produto e da conceção da unidade.
Equipamento essencial na produção de HPMC
O principal equipamento de produção inclui reatores, equipamento de lavagem e separação, secadores, granuladores, moinhos, coletores de poeira e máquinas de embalagem.
O reator é a unidade mais importante. Deve assegurar uma mistura uniforme e um controlo estável da temperatura e da pressão. Uma mistura deficiente provoca uma alcalinização e uma eterificação desiguais.
O secador deve remover a humidade sem causar uma degradação excessiva do polímero. O sistema de moagem e granulação deve produzir o tamanho de partícula pretendido, controlando simultaneamente a formação de pó.
Uma unidade bem concebida necessita também de sistemas de recuperação de produtos químicos, ventilação, controlo de emissões, tratamento de águas residuais e monitorização de processos.
Como Condições de produção Influenciar o desempenho do HPMC
O processo de produção do HPMC determina o modo como o produto se comporta na fórmula do cliente.
Um peso molecular mais elevado do polímero resulta, normalmente, numa viscosidade mais elevada. Uma degradação mais acentuada durante a produção reduz a viscosidade. A distribuição das substituições afeta a dissolução, a gelificação térmica e a atividade superficial.
O tratamento das partículas também afeta a experiência do cliente. Um HPMC tecnicamente correto pode, mesmo assim, apresentar um desempenho insatisfatório se formar grumos ou se dispersar de forma irregular.
Um fornecedor de confiança deve controlar tanto o desempenho químico como o manuseamento do pó.
Aplicações do HPMC em Materiais de construção
A construção civil é uma das principais aplicações industriais do HPMC. O HPMC ajuda a controlar retenção de água, trabalhabilidade, consistência, tempo de abertura e estabilidade no estado fresco em produtos de mistura a seco. Zhiwei enumera cola para azulejos, argamassa de cimento, gesso, massa de enchimento, camada de acabamento, reboco e EIFS, entre as suas atuais aplicações de HPMC. Página do produto HPMC da Zhiwei
As aplicações típicas na construção civil incluem:
- Adesivo para azulejos
- Massa para paredes e revestimento de superfícies
- Reboco de cimento
- Reboco de gesso
- Adesivo e camada de base para EIFS
- Argamassa de reparação
- Argamassa decorativa
- Argamassa de alvenaria
- Compostos autonivelantes
Num sistema simples de ligação à base de cimento, a dosagem de HPMC pode situar-se entre cerca de 0,2% e 0,5% do pó seco. A dosagem final depende do cimento, da areia, do pó de polímero, da temperatura, da absorção do substrato e do tempo de abertura pretendido.
HPMC para cola de azulejos
O HPMC retém a água no interior da cola para azulejos. Isto dá ao cimento mais tempo para se hidratar e ajuda o instalador a colocar e ajustar os azulejos.
O HPMC também melhora a aplicação com espátula, a estabilidade da camada, o tempo de abertura e o comportamento antiderrapante na vertical. Uma variedade de maior viscosidade pode conferir ao adesivo maior consistência na aplicação, mas uma viscosidade excessiva pode dificultar a espalhadura.
Para sistemas de construção de alta viscosidade, o Zhiwei HPMC 100K oferece uma gama de viscosidade NDJ de 90 000 a 120 000 mPa·s numa solução 2% a 20 °C. O produto destina-se a colas para azulejos, massas para paredes, rebocos, sistemas EIFS e outros sistemas de mistura a seco. Zhiwei HPMC 100K
HPMC nos revestimentos
O HPMC pode funcionar como espessante, estabilizador, formador de película e agente anti-afundamento em revestimentos à base de água.
Num sistema de revestimento representativo, o HPMC aumentou a viscosidade de cerca de 800 cP para 4 600 cP. Esta viscosidade mais elevada melhorou a resistência ao escorrimento.
O formulador deve continuar a controlar a dosagem. Uma quantidade excessiva de HPMC pode afetar o nivelamento, a resistência à água e o aspeto do filme. Os fabricantes de revestimentos devem também comparar o HPMC com HEC e HEMC porque cada um éter de celulose apresenta um perfil reológico diferente.
O HPMC nos produtos químicos de uso diário
O HPMC é utilizado em champôs, pastas dentífricas, loções, cremes, produtos para o penteado, sabonetes líquidos, antitranspirantes e sistemas desodorizantes.
Pode funcionar como:
- Um espessante
- Um agente filmogênico
- Um agente de suspensão
- Um agente de retenção de água
- Um lubrificante
- Uma pasta
- Um modificador de textura
- Um estabilizador de emulsão
O formulador deve selecionar a viscosidade de acordo com a textura pretendida e o sistema de tensioativos. A fórmula final deve ser testada quanto à transparência, compatibilidade com sais, formação de espuma, estabilidade e sensação na pele.
HPMC no PVC e na polimerização química
O HPMC pode atuar como estabilizador de suspensão e colóide protetor na polimerização em suspensão do PVC. Ajuda a controlar as gotículas de monómero e a estrutura das partículas de polímero.
O HPMC também pode funcionar como emulsionante auxiliar na polimerização por emulsão de cloreto de vinilo e como dispersante noutros sistemas de polimerização.
O tipo de PVC selecionado influencia a granulometria, a porosidade, a densidade aparente, a absorção de plastificante e o comportamento durante o processamento.
HPMC nos setores alimentar e farmacêutico
Os tipos de HPMC aprovados podem ser utilizados como aglutinantes, espessantes, estabilizantes, formadores de película, materiais de revestimento e auxiliares de dispersão em produtos alimentares e farmacêuticos.
Estas aplicações exigem documentação específica relativa à pureza, aos parâmetros microbiológicos, aos metais pesados, aos solventes residuais e aos requisitos regulamentares. O HPMC de qualidade para a construção ou de qualidade para produtos químicos de uso quotidiano não deve ser considerado como material de qualidade alimentar ou farmacêutica.
Como escolher um tipo de HPMC da Zhiwei
A gama atual de produtos HPMC da Zhiwei inclui o HPMC 400, o HPMC 4K, o HPMC 40K, o HPMC 100K, o HPMC 150K e o HPMC 200K. O tipo adequado depende da viscosidade pretendida e da aplicação.
| Requisitos de formulação | Orientação sugerida para a classificação |
|---|---|
| Fluxo de baixa viscosidade e estabilização da luz | HPMC 400 ou HPMC 4K |
| Espessura moderada e aplicação mais fácil | HPMC 40K |
| Elevada retenção de água e tempo de trabalho | HPMC 100K |
| Órgão superior responsável pelo pedido | HPMC 150K |
| Triagem de viscosidade muito elevada | HPMC 200K |
O fabricante deve realizar um pequeno teste de aplicação antes de confirmar a classificação. A mesma viscosidade pode apresentar um comportamento diferente quando se alteram a substituição, a temperatura do gel, o tratamento das partículas, o cimento, os sais ou os tensioativos.
Conclusão
O processo de produção da hidroxipropilmetilcelulose começa com celulose natural e recorre à alcalinização, metilação e hidroxipropilação para criar um éter de celulose solúvel em água e não iónico.
O processo completo inclui a preparação da celulose, a alcalinização, a eterificação, a neutralização, a lavagem, a secagem, a moagem, o controlo de qualidade e a embalagem. Cada fase influencia a viscosidade, a pureza, a solubilidade, a temperatura de gelificação e o desempenho na aplicação.
O HPMC é utilizado em materiais de construção, revestimentos, detergentes, produtos de higiene pessoal, polimerização de PVC, adesivos, sistemas alimentares e formulações farmacêuticas. Cada aplicação requer uma viscosidade, um tipo de substituição, um tratamento das partículas e um nível de pureza adequados.
Zhiwei (Jinan) New Materials Co., Ltd. fornece graus de HPMC que vão do HPMC 400 ao HPMC 200K. Esta gama de produtos permite aos formuladores avaliar opções de baixa, média e alta viscosidade para sistemas de construção e de produtos químicos de uso diário.