Der Substitutionsgrad von CMC (DS 0,65–0,9) bestimmt unmittelbar drei Leistungsparameter: Wasserrückhalt, Viskosität, und Löslichkeit. Der DS-Wert gibt die durchschnittliche Anzahl der Hydroxylgruppen pro Anhydroglucoseeinheit an, die durch Carboxymethylgruppen (–CH₂COONa) ersetzt sind. Jede substituierte Gruppe ionisiert in Wasser und bildet so eine negativ geladene Polyelektrolytkette, die Wasser durch Ionen-Dipol-Wechselwirkungen bindet und die Kette durch elektrostatische Abstoßung verlängert.
Wasserrückhalt steigt mit zunehmendem DS: Mehr Carboxylatgruppen binden Wasser in Hydratationshüllen und bilden ein dichteres Gelnetzwerk, das der Verdunstung und der Saugwirkung des Substrats widersteht. Viskosität steigt bei gleichem Molekulargewicht und gleicher Konzentration mit dem DS, da eine höhere Ladungsdichte die Polymerkette ausdehnt und das hydrodynamische Volumen vergrößert. Löslichkeit Es gilt ein Schwellenwert: Bei einem DS-Wert ≥ 0,7 erfolgt eine schnelle Auflösung in kaltem Wasser mit einem unlöslichen Rückstand von ≤ 0,31 TP3T, während bei einem DS-Wert < 0,7 kristalline Zellulosebereiche zurückbleiben, die sich nur langsam mit Wasser verbinden.
Für Baumörtel, Ein DS-Wert von 0,7–0,9 ist optimal, wobei ein Gleichgewicht zwischen der Carboxylatdichte für die Wasserbindung, der Kettenverlängerung für die Rheologie und der Kaltwasserlöslichkeit für die Mischung vor Ort hergestellt wird. Unterhalb eines DS-Werts von 0,65 sinkt die Wasserretention stark ab und der Anteil an unlöslichen Rückständen überschreitet die Spezifikation; oberhalb eines DS-Werts von 0,9 führt der Kostenaufschlag zu abnehmenden Erträgen, während die Salzempfindlichkeit bei hochalkalischem Zement zunimmt. Michem CMC deckt den DS-Bereich von 0,65 bis 0,9 mit anpassbarer Viskosität (400–8000 mPa·s) ab und ermöglicht es Formulierern, die Leistung optimal abzustimmen, ohne die Spezifikationen zu überschreiten.
Die Wahl des DS-Werts ist keine akademische Feinheit – sie entscheidet darüber, ob CMC in der Praxis funktioniert oder unter Baustellenbedingungen versagt. Bei Trockenmörtel kann der Unterschied zwischen einem DS-Wert von 0,65 und 0,85 eine deutlich höhere Wasserretention bedeuten: vollständige Zementhydratation versus Oberflächenverkrustung und Festigkeitsverlust.
Betrachten wir einen Fliesenkleber, der im Sommer bei 35 °C auf porösem Beton aufgetragen wird. Ein CMC mit niedrigem DS bei einer Dosierung von 0,2% kann innerhalb von 15 Minuten einen großen Teil seines Anmachwassers verlieren – dies reicht für eine ausreichende Hydratation nicht aus, wodurch das Risiko eines Kleberversagens besteht. Die gleiche Dosierung eines CMC mit höherem DS hält das Wasser länger zurück und gewährleistet so eine vollständige Hydratation und Haftfestigkeit.
Für Beschaffungs- und Formulierungsteams bedeutet das Verständnis des Zusammenhangs zwischen DS und Leistung, dass bei der Qualifizierung keine Versuche nach dem Prinzip „Versuch und Irrtum“ mehr erforderlich sind. Durch die Festlegung des richtigen DS-Bereichs wird die Auswahl auf funktional gleichwertige Produkte eingegrenzt. Die konsequente DS-Kontrolle von Michem stellt sicher, dass die im Labor validierte Leistung auch im industriellen Maßstab reproduziert wird – wodurch die häufigste Ursache für Leistungsabweichungen bei der praktischen Anwendung von Celluloseether-Formulierungen beseitigt wird.
CMC wird durch die Reaktion von Alkali-Zellulose mit Natriummonochloracetat (SMCA) hergestellt. Jede Glucoseeinheit enthält drei reaktive Hydroxylgruppen an den Positionen C2, C3 und C6. Der DS-Wert gibt die durchschnittliche Anzahl der durch Carboxymethylgruppen (–CH₂COONa) ersetzten Hydroxylgruppen pro Anhydroglucoseeinheit an (theoretisches Maximum 3,0). Bei CMC in Industriequalität erfolgt die Substitution ungleichmäßig – primäre C6-Hydroxylgruppen reagieren bevorzugt, gefolgt von C2. Die Verteilung beeinflusst die Eigenschaften unabhängig vom Gesamt-DS: Die C6-Substitution bestimmt die Löslichkeit, während die C2/C3-Substitution die Kettensteifigkeit und die Viskosität beeinflusst. Die DS-Titrationsprüfung gemäß ASTM D1439 bestätigt der in jedem Michem-Produktdatenblatt angegebene Substitutionsgrad, der eine standardisierte, überprüfbare Kennzahl für die Qualifizierung liefert.
Jede –CH₂COONa-Gruppe dissoziiert in Wasser zu –CH₂COO⁻ + Na⁺, wodurch eine negativ geladene Polyelektrolytkette entsteht. Wasser bindet sich über Ionen-Dipol-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen an diese anionischen Stellen. Bei einem DS-Wert von 0,8 trägt eine CMC-Kette mit mäßigem DP Hunderte von Carboxylatgruppen, von denen jede mehrere Wassermoleküle bindet – diese stehen somit nicht zur Verdunstung zur Verfügung, sondern für die Zementhydratation.
Der Mechanismus beruht auf zwei Effekten: gebundenes Wasser (in Hydratationshüllen immobilisiert) und Netzwerk-Einklemmung (CMC-Ketten bilden ein Gelnetzwerk, das die Wasserwanderung durch Kapillarkanäle behindert). In Versuchen zur DS-Optimierung bei Mörtel- und Keramikanwendungen, Eine Erhöhung des DS-Werts von 0,65 auf 0,85 bei konstanter Dosierung führte durchweg zu einer Verringerung der Wasserverlustrate, was den Zusammenhang zwischen DS und Wasserrückhaltung unter realen Bedingungen bestätigte.
CMC liegt in Lösung aufgrund der elektrostatischen Abstoßung zwischen den Carboxylgruppen innerhalb der Kette als ausgedehnte Zufallsspirale vor. Eine höhere Ladungsdichte erhöht die Persistenzlänge, vergrößert das hydrodynamische Volumen und erhöht die Viskosität bei gleicher Konzentration und gleichem Molekulargewicht. Gemessene Viskosität Viskosität gemäß ASTM D2196 Die Ergebnisse zeigen, dass bei festem DP und fester Konzentration die Viskosität nichtlinear mit dem DS ansteigt und oberhalb eines DS von 0,85 abflacht, wenn die Kettenverlängerung sich dem Maximum nähert. Dieser Effekt verstärkt sich bei niedriger Ionenstärke und schwächt sich in der Zementporenlösung (hoher Ca²⁺-Gehalt, pH-Wert 12–13) ab, wo zweiwertige Ionen die elektrostatische Abstoßung abschirmen. Dennoch verhindert ein noch höherer DS-Wert den vollständigen Kettenkollaps – ein entscheidender Vorteil in hochalkalischen Umgebungen.
Die Löslichkeit von CMC erfolgt in zwei Schritten: (1) Eindringen von Wasser in amorphe Bereiche, was zu einer Quellung führt, und (2) Entwirrung der Ketten und Auflösung. Unsubstituierte Cellulose ist aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Ketten wasserunlöslich; jede Carboxymethylgruppe bricht mehrere solcher Bindungen auf und führt eine hydrophile, ionisierbare Stelle ein. Bei einem DS-Wert < 0,4 ist CMC nur alkalilöslich. Bei einem DS-Wert von 0,4–0,65 besteht eine teilweise Kaltwasserlöslichkeit, doch die Auflösung verläuft langsam und es bleiben unlösliche Rückstände zurück. Bei einem DS-Wert von ≥ 0,7 stört die Substitutionsdichte die Kristallinität und ermöglicht eine vollständige Auflösung in kaltem Wasser innerhalb von Minuten – was mit der Spezifikation für wasserunlösliche Bestandteile von ≤ 0,31 TP3T bei Michem CMC übereinstimmt. Die DS-Titrationsprüfung gemäß ASTM D1439 bestätigt dass Chargen, die diesen Schwellenwert erfüllen, durchweg einen DS-Wert von ≥0,7 aufweisen, was diesen Wert als zuverlässige Spezifikationsgrenze bestätigt.
Die folgenden Angaben entsprechen den Produktspezifikationen von Michem CMC (CAS-Nr. 9004-32-4). Die Werte stammen aus den Produktdatenblättern von Michem; es gelten Abweichungen hinsichtlich der Qualität und des Herstellungsverfahrens.
Parameter | Spezifikation |
Produkt | |
CAS-Nr. | 9004-32-4 |
Ionentyp | Anionisch |
Substitutionsgrad (DS) | 0,65–0,9 (anpassbar) |
Reinheit | ≥99.5% |
Chlorid | ≤0,5% |
Trocknungsverlust | ≤8.0% |
pH-Wert (1%-Lösung) | 6.5–8.5 |
Wasserunlösliche Bestandteile | ≤0,3% |
Viskosität (1%-Lösung, 25 °C) | 400–8000 mPa·s (einstellbar) |
Empfohlene Dosierung (Trockenmörtel) | 0.1%–0.3% |
Anwendungen | Lebensmittel, Arzneimittel, Kosmetika, Reinigungsmittel, Keramik, Ölförderung, Bauwesen |
Quelle: Technisches Datenblatt von Michem CMC, michemicals.com/cellulose-ether/cmc. DS und Viskosität können innerhalb der angegebenen Bereiche angepasst werden; bitte klären Sie die sortenspezifischen Werte vor der Spezifikation mit Michem ab.
Bei der Auswahl von DS werden Wasserrückhaltung, Rheologie und Löslichkeit unter Berücksichtigung der Systemchemie (Zement vs. Gips), der Saugfähigkeit des Untergrunds und der Umgebungsbedingungen gegeneinander abgewogen:
Synergieeffekte mit anderen Ethern: CMC wirkt synergistisch mit HPMC und HEMC zusammen. Eine geringere Dosierung von Michem CMC (DS 0,8) in Kombination mit HPMC kann hinsichtlich der Wasserretention bei geringeren Gesamtetherkosten bessere Ergebnisse erzielen als HPMC allein – CMC sorgt für die Wasserbindung im Volumen, während HPMC zur thermischen Gelierung und zur Stabilität der Lufteinschlüsse beiträgt.
Dosisanpassung: Bei stark wasseraufnehmenden Untergründen (Porenbeton, Tonziegel) sollte eher der DS-Wert als die Dosierung erhöht werden. Eine Anhebung des DS-Werts von 0,7 auf 0,85 bei gleichbleibender Dosierung führt in der Regel zu einer besseren Wasserrückhaltung als eine Erhöhung der Dosierung bei niedrigem DS-Wert und verhindert zudem eine übermäßige Viskosität.
Mischprotokoll: Mischen Sie CMC vor der Zugabe von Wasser mit Zement oder Sand. Die direkte Zugabe von CMC ins Wasser führt zur Klumpenbildung; durch das Vormischen werden die Partikel voneinander getrennt, was eine gleichmäßige Verteilung gewährleistet.
Temperaturkompensation: Bei der Anwendung bei hohen Temperaturen (>30 °C) sollten Sie eine höhere DS-Stufe (0,85–0,9) und eine moderate Dosiserhöhung vorsehen, um die Verarbeitungszeit zu gewährleisten.
DS 0,9 bietet bei gleicher Dosierung eine höhere Wasserbindung als DS 0,7 – eine längere Verarbeitungszeit und eine vollständigere Hydratation, was auf porösen Untergründen und bei erhöhten Temperaturen von Vorteil ist. Für Wandfliesen im Innenbereich auf nicht porösen Untergründen ist DS 0,7–0,75 oft ausreichend. Wägen Sie die höheren Kosten gegen die Leistungsanforderungen ab.
Ja, aber mit einer Optimierung. Gips-Systeme erfordern einen niedrigeren DS-Wert (0,65–0,75), da Gips einen geringeren Wasserbedarf und eine kürzere Abbindezeit aufweist; eine zu hohe Wasserretention verzögert das Abbinden und verringert die Härte. Zement-Systeme profitieren aufgrund der längeren Hydratation und der höheren Alkalität von einem höheren DS-Wert (0,75–0,9).
Der DS-Wert wird gemäß den in ASTM D1439 festgelegten DS-Bestimmungsmethoden ermittelt, wodurch eine standardisierte, reproduzierbare Messung gewährleistet ist. Michem gibt den DS-Wert in jedem Datenblatt an und steuert die Produktion innerhalb enger Toleranzen, sodass die im Labor validierte Leistung auch im industriellen Maßstab reproduzierbar ist. Bitte klären Sie die sortenspezifischen Toleranzen bei der Spezifikation mit Michem ab.
Nein. Die Viskosität wird in erster Linie durch den Polymerisationsgrad der Cellulose (Kettenlänge) bestimmt, während der DS-Wert die Ladungsdichte, die Wasserretention und die Löslichkeit bestimmt. Michem produziert CMC mit einem DS-Wert von 0,85 in Viskositäten von 400 bis 8000 mPa·s, was eine unabhängige Auswahl der Wasserretention (DS) und der Rheologie (Viskositätsklasse) ermöglicht.
Ein unzureichender DS äußert sich in folgenden Merkmalen: sichtbare, ungelöste Gelpartikel (unlösliche Rückstände), schnellere Oberflächentrocknung und Hautbildung, geringere Haftfestigkeit aufgrund unvollständiger Hydratation sowie Schwankungen der Viskosität zwischen den Chargen aufgrund variabler Auflösungskinetik. Sollten diese Anzeichen auftreten, überprüfen Sie den DS-Wert gemäß ASTM D1439 auf ≥0,7 und erhöhen Sie ihn in Schritten von 0,05 Einheiten, bis sich die Leistung stabilisiert.
Dieser Leitfaden stützt sich auf zwei Arten von Belegen:
Michem-Produktdaten: DS (0,65–0,9), Reinheit (≥99,5%), Chlorid (≤0,5%), Trocknungsverlust (≤8,0%), pH-Wert (6,5–8,5), wasserunlösliche Bestandteile (≤0,3%), Viskosität (400–8000 mPa·s) und Mörteldosierung (0,1%–0,3%) stammen aus den technischen Datenblättern von Michem CMC. Bitte klären Sie die sortenspezifischen Werte vor der Spezifikation mit Michem ab.
Zitierte anerkannte Normen:
Die Beziehungen zwischen DS und Leistung sind hier sorten- und verfahrensabhängig; bitte überprüfen Sie dies für jede Rezeptur durch Labortests.
Für wen dieser Leitfaden gedacht ist: Formulierungsingenieure, Beschaffungsteams und Planer, die CMC für Bauchemikalien, Keramik, die Ölförderung und verwandte Anwendungsbereiche beschaffen. Grundkenntnisse über Celluloseether werden vorausgesetzt.
So entstand es: Zusammengestellt vom Michem Technical Applications Team auf der Grundlage von Produktspezifikationen, ASTM-Prüfverfahren und praktischen Erfahrungen im Bereich Mörtel- und Keramikanwendungen. Die Produktdaten stammen aus den technischen Datenblättern von Michem CMC; die Quellenangaben beziehen sich auf die im Abschnitt „Literatur“ aufgeführten ASTM- und ISO-Normen.
Einschränkungen: Das Verhältnis zwischen DS und Leistung ist von der Viskositätsklasse und dem Prozess abhängig. DS-Werte, Viskositätsklassen und Dosierungen stehen in Wechselwirkung mit der chemischen Zusammensetzung der Formulierung, dem Substrat und den Umgebungsbedingungen. Überprüfen Sie die Auswahl stets durch Labortests unter den Zielbedingungen, bevor Sie die Spezifikation im Vollmaßstab festlegen.
Aktualisierungsrichtlinie: Wird regelmäßig im Zuge der Weiterentwicklung von Spezifikationen und Normen überprüft. Das Datum unter “Zuletzt überprüft” im Feld „Redaktion & Vertrauenswürdigkeit“ gibt den Zeitpunkt der letzten Überprüfung an. Die aktuellsten Daten entnehmen Sie bitte dem aktuellen technischen Datenblatt von Michem CMC.
Der Substitutionsgrad ist der wichtigste Strukturparameter, der die Leistung von CMC bestimmt. Ein DS-Wert von 0,7–0,9 stellt den praktischen „Sweet Spot“ für Anwendungen im Bauwesen und in der Industrie dar, da hier Wasserrückhaltevermögen, Löslichkeit und Kosten in einem ausgewogenen Verhältnis stehen. Innerhalb dieses Bereichs führt jede Erhöhung des DS-Werts zu messbaren Veränderungen hinsichtlich Wasserbindung, Viskosität und Auflösung – so können Formulierer die Leistung präzise an die jeweiligen Anforderungen anpassen.
Michem CMC kombiniert einen DS-Wert von 0,65–0,9, hohe Reinheit (≥99,51 TP3T), einen geringen Gehalt an unlöslichen Bestandteilen (≤0,3%) sowie eine anpassbare Viskosität (400–8000 mPa·s) und gewährleistet so eine zuverlässige Leistung bei Trockenmörtel, Fliesenkleber, Wandspachtel, Keramik sowie in Ölfeldanwendungen.
Ich bin Tinna und arbeite seit 15 Jahren in der Zelluloseether-Branche. Ich freue mich, meinen Beitrag mit euch zu teilen. Falls ihr gute Ideen habt, lasst es mich bitte wissen.
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