(1) Растворимость
Растворимость эфира целлюлозы в щелочном водном растворе, воде или органическом растворителе зависит от природы этерификационной группы и степени замещения (DS). Вещества со значением DS менее 0,1 обычно нерастворимы и отличаются от целлюлозы только некоторыми физико-техническими параметрами, такими как прочность на разрыв, поверхностная потенциальная энергия, водопоглощающая способность или способность к окрашиванию. Модификация целлюлозы в этой степени используется в основном для переработки целлюлозы в текстильной и бумажной промышленности и не продается в виде продуктов на основе эфира целлюлозы.
Когда DS продукта достигает 0,2~0,5, он начинает растворяться в водном растворе щелочи, например, 5%~8% NaOH. Эффективность растворения зависит от группы этерификации. По мере увеличения степени замещения эфир целлюлозы постепенно растворяется в воде. Хорошая растворимость сохраняется при очень высоких уровнях сухого вещества для анионных и высокогидрофильных неионных типов, но если преобладают гидрофобные заместители, растворимость исчезает при более высоких уровнях сухого вещества.
Многие промышленно производимые эфиры целлюлозы растворимы в воде и органических растворителях. Для анионного типа растворимость в воде должна быть выше 0,4, для неионного типа — выше 1. Если преобладают гидрофобные этерифицирующие группы, растворимость в воде исчезает при значениях DS выше 2, и они растворимы в протических или полярных апротических растворителях, таких как малоалифатические спирты, кетоны или эфиры. Гидрофобные эфиры целлюлозы также растворимы в хлорированных углеводородах, но в меньшей степени в чистых углеводородах. Эфиры целлюлозы, содержащие только анионные группы, практически не растворяются в органических растворителях во всех диапазонах DS, за исключением полярных апротических растворителей, таких как диметилсульфоксид. Во всех случаях эфиры целлюлозы с более низкой молекулярной массой более растворимы. Растворимость гидрофобных эфиров в воде изменяется при высоких температурах. Растворенные продукты при нагревании гелируются или агломерируются, а при охлаждении снова растворяются. В этом заключается уникальное термогелеобразующее свойство гидрофобных эфиров целлюлозы, которое существенно влияет на производство и применение.
В большинстве случаев растворы эфиров целлюлозы должны быть точными или даже прозрачными, однако некоторые продукты на основе эфиров целлюлозы образуют мутные растворы, которые могут содержать нерастворимые частицы или свободные нити волокон. Основная причина заключается в том, что реактивы недостаточно перемешиваются во время реакции, либо молекулярная цепочка целлюлозы очень неравномерна (молекулярно-массовое распределение слишком широкое, а источники сырья сильно различаются), а агрегатная структура неравномерна (высококристаллические участки трудно заменить), что вызвано неравномерным замещением. Примеси в целлюлозном сырье, такие как лигнин, зола и т.д., или наличие сшивающих агентов в реактивах этерификации могут привести к образованию нерастворимых остатков.
(2) Вязкость раствора
Диапазон вязкости раствора эфира целлюлозы очень широк. При комнатной температуре диапазон вязкости 2%-ного нейтрального водного раствора эфира целлюлозы может достигать 5-10⁵ мПа-с или даже более широкого. Ее величина зависит от концентрации, температуры, средней длины цепи макромолекул (или степени полимеризации), а также от соли или других добавок. Длина цепи макромолекул сырой целлюлозы может быть укорочена путем химической обработки в процессе производства эфира целлюлозы для получения необходимого конечного продукта с меньшей вязкостью.
При определенной концентрации и температуре реологические свойства раствора могут быть ньютоновскими, псевдопластичными, тиксотропными или даже студенистыми, в зависимости от длины цепи, распределения заместителей и природы этерифицирующей группы.
(3) Физические свойства
Эфиры целлюлозы представляют собой белые или желтоватые твердые вещества, обычно в виде гранул или порошка (содержание влаги до 10%). Кажущаяся плотность порошка составляет 0,3~0,5 г/см³. Кажущаяся плотность некоторых (не измельченных) волокнистых продуктов ниже 0,2 г/см³. В соответствии с различными областями применения производители могут устанавливать различные уровни чистоты. Продукты с высокой степенью чистоты не имеют ни запаха, ни вкуса. Неочищенные продукты могут содержать до 40% (массовая доля) солей натрия, таких как NaCl, ацетат натрия и т.д. Продукт может быть смешан с добавками для обеспечения стабильности, контролируемости растворения и простоты обработки.
Кроме того, большинство промышленных продуктов на основе эфира целлюлозы можно смешивать с другими водорастворимыми полимерами, такими как крахмальные продукты, натуральные смолы, природные коллоиды, полиакриламид и т.д., для получения сложных продуктов с требуемыми реологическими и другими физическими свойствами.
(4) Стабильность
Эфиры целлюлозы легко подвергаются воздействию целлюлаз и микроорганизмов. Фермент предпочтительно атакует незамещенные ангидроглюкозные единицы, что приводит к гидролизу и расщеплению макромолекулярных цепей, снижая вязкость продукта. Эфирный заместитель может защищать основную цепь целлюлозы. Поэтому стабильность эфира целлюлозы повышается с увеличением DS или улучшением равномерности замещения, и только несколько незамещенных ангидроглюкозных единиц подвергаются атаке гидролаз.
Эфир целлюлозы относительно стабилен и не подвержен воздействию воздуха, влаги, солнечного света, умеренного нагрева и общих загрязняющих веществ. Сильные окислители могут генерировать перекись и карбонильные группы, что приводит к дальнейшей деградации эфиров целлюлозы в щелочных условиях. При нагревании щелочного раствора целлюлозы вязкость значительно снижается. Сильные кислоты также могут разрушать молекулярные цепи, непосредственно гидролизуя ацетальные связи целлюлозы. Как и другие органические полимеры, под действием высокоэнергетического излучения цепная структура эфира целлюлозы также повреждается и разрушается. В промышленные продукты из эфира целлюлозы можно добавлять биоциды, буферы или восстановители, если это разрешено в соответствии с условиями применения, для достижения стабильности при длительном хранении и постоянной вязкости при соответствующих условиях хранения.
Твердые эфиры целлюлозы стабильны при температурах от 80 до 100°C. Более высокие температуры или длительное нагревание в некоторых случаях могут вызвать сшивание и образование нерастворимых сетей. Твердый продукт слегка разлагается в диапазоне 130-150°C. При нагревании до 160-200°C он подвергается мускульной деструкции и приобретает коричневый цвет. Это связано как с типом эфира, так и с условиями нагревания. Нейтральные водные растворы не вызывают снижения вязкости при длительном нагревании и последующем охлаждении до комнатной температуры. Умеренное нагревание, гелеобразование или агломерация также не повлияют на вязкость.