(1) Solubilité
La solubilité de l’éther de cellulose dans une solution aqueuse alcaline, dans l’eau ou dans un solvant organique dépend de la nature du groupe d’éthérification et du degré de substitution (DS). Les substances dont le DS est inférieur à 0,1 sont généralement insolubles et ne diffèrent de la cellulose que par certains paramètres physiques et techniques, tels que la résistance à la traction, l’énergie potentielle de surface, la capacité d’absorption d’eau ou la capacité de teinture. La modification de la cellulose, dans cette mesure, est principalement utilisée pour le retraitement de la cellulose dans les industries du textile et du papier et n’est pas commercialisée en tant que produits à base d’éther de cellulose.
Lorsque le DS du produit atteint 0,2~0,5, il commence à se dissoudre dans une solution aqueuse alcaline, telle que 5%~8% de NaOH. La performance de dissolution dépend du groupe d’éthérification. Lorsque le degré de substitution augmente, l’éther de cellulose se dissout progressivement dans l’eau. Une bonne solubilité est maintenue à des niveaux de DS très élevés pour les types anioniques et non ioniques hautement hydrophiles, mais si les substituants hydrophobes dominent, la solubilité disparaît à des niveaux de DS plus élevés.
De nombreux éthers de cellulose produits industriellement sont solubles dans l’eau et les solvants organiques. Pour que le type anionique obtienne la solubilité dans l’eau, la valeur DS doit être supérieure à 0,4 ; pour le type non ionique, la valeur DS doit être supérieure à 1. Si les groupes éthérifiants hydrophobes dominent, la solubilité dans l’eau disparaît à des valeurs DS supérieures à 2, et ils sont solubles dans des solvants protiques ou aprotiques polaires, tels que des alcools, des cétones ou des éthers faiblement aliphatiques. Les éthers de cellulose hydrophobes sont également solubles dans les hydrocarbures chlorés, mais moins dans les hydrocarbures purs. Les éthers de cellulose contenant uniquement des groupes anioniques sont pratiquement insolubles dans les solvants organiques dans toutes les gammes de DS, à l’exception des solvants aprotiques polaires tels que le sulfoxyde de diméthyle. Dans tous les cas, les éthers de cellulose de faible poids moléculaire sont plus solubles. La solubilité des éthers hydrophobes dans l’eau est affectée à haute température. Les produits dissous se gélifient ou s’agglomèrent lorsqu’ils sont chauffés et se dissolvent à nouveau lorsqu’ils sont froids. C’est la propriété thermogélifiante unique des éthers de cellulose hydrophobes, qui a un impact significatif sur la production et l’application.
La plupart des applications exigent que les solutions d’éthers de cellulose soient précises, voire transparentes, mais certains produits à base d’éthers de cellulose ne forment que des solutions troubles, qui peuvent contenir des particules insolubles ou des brins de fibres libres. La raison principale est que les réactifs ne sont pas suffisamment brassés et mélangés pendant la réaction, ou que la chaîne moléculaire de la cellulose est très irrégulière (la distribution du poids moléculaire est trop large, et les sources de matières premières varient considérablement), et que la structure des agrégats est irrégulière (les zones hautement cristallines sont difficiles à remplacer)) en raison d’une substitution irrégulière. Les impuretés présentes dans les matières premières cellulosiques, telles que la lignine, les cendres, etc., ou la présence d’agents de réticulation dans les réactifs d’éthérification peuvent produire des résidus insolubles.
(2) La viscosité de la solution
La plage de viscosité de la solution d’éther de cellulose est étendue. À température ambiante, la viscosité d’une solution aqueuse d’éther de cellulose neutre à 2 % peut atteindre 5-10⁵ mPa-s, voire plus. Sa taille dépend de la concentration, de la température, de la longueur moyenne des chaînes des macromolécules (ou du degré de polymérisation) et du sel ou d’autres additifs. La longueur de chaîne des macromolécules de cellulose brute peut être raccourcie par un traitement chimique au cours du processus de production de l’éther de cellulose afin d’obtenir le produit final souhaité avec une viscosité plus faible.
Dans des conditions de concentration et de température définies, les propriétés rhéologiques de la solution peuvent être newtoniennes, pseudoplastiques, thixotropiques ou même gélatineuses, en fonction de la longueur de la chaîne, de la distribution des substituants et de la nature du groupe étherifiant.
(3) Propriétés physiques
Les éthers de cellulose sont des solides blancs ou jaunâtres, généralement sous forme de granulés ou de poudre (teneur en humidité jusqu’à 10 %). La densité apparente de la poudre est comprise entre 0,3 et 0,5 g/cm³. La densité apparente de certains produits fibreux (non broyés) est inférieure à 0,2 g/cm³. En fonction des différentes utilisations, les fabricants peuvent ajuster différents niveaux de pureté. Les produits de grande pureté n’ont ni odeur ni goût. Les produits non traités peuvent contenir jusqu’à 40 % (fraction de masse) de sels de sodium tels que NaCl, acétate de sodium, etc. Le produit peut être mélangé avec des additifs pour assurer la stabilité, le contrôle de la dissolution et la facilité de traitement.
En outre, la plupart des produits industriels à base d’éther de cellulose peuvent être mélangés à d’autres polymères hydrosolubles, tels que les produits amylacés, les résines naturelles, les colloïdes naturels, le polyacrylamide, etc. pour obtenir des produits composés présentant les propriétés rhéologiques et physiques requises.
(4) Stabilité
Les éthers de cellulose sont facilement affectés par les cellulases et les micro-organismes. L’enzyme attaque de préférence les unités d’anhydroglucose non substituées, ce qui provoque l’hydrolyse et la scission des chaînes macromoléculaires, réduisant ainsi la viscosité du produit. Le substituant éther peut protéger la chaîne principale de la cellulose. Par conséquent, la stabilité de l’éther de cellulose augmente avec l’augmentation du DS ou l’amélioration de l’uniformité de la substitution, et seules quelques unités d’anhydroglucose non substituées sont attaquées par l’hydrolase.
L’éther de cellulose est relativement stable et n’est pas facilement affecté par l’air, l’humidité, la lumière du soleil, un chauffage modéré et les polluants en général. Des agents oxydants puissants peuvent générer du peroxyde et des groupes carbonyles, entraînant une dégradation supplémentaire des éthers de cellulose dans des conditions alcalines. Lorsque la solution alcaline de cellulose est chauffée, la viscosité diminue de manière significative. Les acides forts peuvent également dégrader les chaînes moléculaires en hydrolysant directement les liaisons acétal de la cellulose. Comme d’autres polymères organiques, la structure de la chaîne de l’éther de cellulose est également endommagée et dégradée sous l’action de radiations à haute énergie. Les produits industriels à base d’éthers de cellulose peuvent être additionnés de biocides, de tampons ou d’agents réducteurs lorsque l’application le permet, afin d’obtenir une stabilité de stockage à long terme et une viscosité constante dans des conditions de stockage appropriées.
Les éthers de cellulose solides sont stables à des températures allant de 80 à 100°C. Des températures plus élevées ou un chauffage prolongé peuvent, dans certains cas, entraîner une dégradation de la viscosité. Des températures plus élevées ou un chauffage prolongé peuvent, dans certains cas, provoquer une réticulation et former des réseaux insolubles. Le produit solide se dégrade légèrement entre 130 et 150°C. Lorsqu’il est chauffé à 160-200°C, il subit une dégradation musculaire et devient brun. Ce phénomène est lié à la fois au type d’éther et aux conditions de chauffage. Les solutions aqueuses neutres n’entraînent pas de diminution de la viscosité lorsqu’elles sont chauffées pendant une longue période puis refroidies à température ambiante. Un chauffage modéré, la gélification ou l’agglomération n’affectent pas non plus la viscosité.
