Эфір цэлюлозы ў вырабах на аснове цэменту

Эфір цэлюлозы — гэта шматфункцыянальная дабаўка, якая можа выкарыстоўвацца ў цэментных вырабах. У гэтым артыкуле разглядаюцца хімічныя ўласцівасці метылцэлюлозы (МЦ) і гідраксіпрапілметылцэлюлозы (ГПМЦ), якія звычайна выкарыстоўваюцца ў цэментных вырабах, метад і прынцып атрымання раствора і асноўныя характарыстыкі раствора. Зніжэнне тэмпературы і глейкасці тэрмічнага геля ў цэментных вырабах абмяркоўвалася на аснове практычнага вытворчага вопыту.

Ключавыя словы:эфір цэлюлозы; метылцэлюлоза;ГідраксіпрапілметылцэлюлозаТэмпература гарачага геля; глейкасць

1. Агляд

Эфір цэлюлозы (скарочана ЭЦ) атрымліваецца з цэлюлозы шляхам рэакцыі этэрыфікацыі аднаго або некалькіх этэрыфікуючых агентаў і сухога драбнення. ЭЦ можна падзяліць на іённыя і неіённыя тыпы, сярод якіх неіённы тып ЭЦ мае свае унікальныя характарыстыкі тэрмічнага геля і растваральнасць, солеўстойлівасць, тэрмаўстойлівасць і адпаведную павярхоўную актыўнасць. Ён можа быць выкарыстаны ў якасці водаўтрымліваючага агента, суспензійнага агента, эмульгатара, плёнкаўтваральнага агента, змазкі, клею і рэалагічнага паляпшальніка. Асноўнымі сферамі спажывання за мяжой з'яўляюцца латексныя пакрыцці, будаўнічыя матэрыялы, нафтавая бурэнне і г.д. У параўнанні з замежнымі краінамі, вытворчасць і прымяненне водарастваральнага ЭЦ усё яшчэ знаходзіцца ў зачаткавым стане. З паляпшэннем здароўя людзей і экалагічнай свядомасці, водарастваральны ЭЦ, які бяспечны для фізіялогіі і не забруджвае навакольнае асяроддзе, атрымае значнае развіццё.

У галіне будаўнічых матэрыялаў звычайна выбіраюць метылцэлюлозу (MC) і гідраксіпрапілметылцэлюлозу (HPMC), якія могуць выкарыстоўвацца ў якасці пластыфікатара, загушчальніка, водаўтрымліваючага агента, паветраўцягваючага агента і агента для запаволення схоплівання фарбаў, тынкоўкі, раствораў і цэментных вырабаў. У большасці выпадкаў у будаўнічай прамысловасці выкарыстоўваецца пры нармальнай тэмпературы, з выкарыстаннем сухіх сумесяў з парашка і вады, у меншай ступені звязаных з характарыстыкамі растварэння і характарыстыкамі гарачага геля CE, але ў механізаванай вытворчасці цэментных вырабаў і іншых спецыяльных тэмпературных умовах гэтыя характарыстыкі CE будуць гуляць больш поўную ролю.

2. Хімічныя ўласцівасці CE

КЭ атрымліваюць шляхам апрацоўкі цэлюлозы з дапамогай шэрагу хімічных і фізічных метадаў. У залежнасці ад структуры хімічнага замяшчэння, звычайна іх можна падзяліць на: MC, HPMC, гідраксіэтылцэлюлозу (HEC) і г.д. Кожны КЭ мае асноўную структуру цэлюлозы — дэгідратаванай глюкозы. У працэсе вытворчасці КЭ цэлюлозныя валокны спачатку награваюць у шчолачным растворы, а затым апрацоўваюць этэрыфікатарамі. Прадукты рэакцыі валакністых злучэнняў ачышчаюць і здрабняюць да аднастайнага парашка пэўнай дробнасці.

У працэсе вытворчасці MC у якасці этэрыфікуючага агента выкарыстоўваецца толькі хларыд метану. Акрамя выкарыстання хларыду метану, у вытворчасці HPMC таксама выкарыстоўваецца аксід прапілену для атрымання гідраксіпрапільных груп-замяшчальнікаў. Розныя CE маюць розныя хуткасці замяшчэння метыла і гідраксіпрапілу, што ўплывае на арганічную сумяшчальнасць і тэмпературу тэрмічнага геля раствора CE.

Колькасць груп замяшчэння ў структурных адзінках дэгідратаванай глюкозы цэлюлозы можна выразіць у працэнтах ад масы або сярэдняй колькасцю груп замяшчэння (г.зн., DS — ступень замяшчэння). Колькасць груп замяшчэння вызначае ўласцівасці прадуктаў CE. Уплыў сярэдняй ступені замяшчэння на растваральнасць прадуктаў этэрыфікацыі наступны:

(1) нізкая ступень замяшчэння, растваральная ў шчолачы;

(2) нязначна высокая ступень замяшчэння, растваральная ў вадзе;

(3) высокая ступень замяшчэння, раствораная ў палярных арганічных растваральніках;

(4) Больш высокая ступень замяшчэння, растваральная ў непалярных арганічных растваральніках.

3. Метад растварэння CE

КЭ мае ўнікальную ўласцівасць растваральнасці: пры павышэнні тэмпературы да пэўнай тэмпературы ён нерастваральны ў вадзе, але пры паніжэнні тэмпературы яго растваральнасць павялічваецца. КЭ раствараецца ў халоднай вадзе (а ў некаторых выпадках і ў пэўных арганічных растваральніках) праз працэс набракання і гідратацыі. Растворы КЭ не маюць відавочных абмежаванняў растваральнасці, якія з'яўляюцца пры растварэнні іённых соляў. Канцэнтрацыя КЭ звычайна абмежаваная глейкасцю, якую можна кантраляваць вытворчым абсталяваннем, а таксама змяняецца ў залежнасці ад глейкасці і хімічнага складу, неабходнага карыстальніку. Канцэнтрацыя раствора КЭ з нізкай глейкасцю звычайна складае 10% ~ 15%, а КЭ з высокай глейкасцю звычайна абмежавана 2% ~ 3%. Розныя тыпы КЭ (напрыклад, парашок, парашок з апрацаванай паверхняй або гранулы) могуць паўплываць на спосаб падрыхтоўкі раствора.

3.1 CE без апрацоўкі паверхні

Нягледзячы на ​​тое, што CE раствараецца ў халоднай вадзе, яго неабходна цалкам дыспергаваць у вадзе, каб пазбегнуць згусткаў. У некаторых выпадках для дыспергавання парашка CE ў халоднай вадзе можна выкарыстоўваць хуткасны міксер або варонку. Аднак, калі неапрацаваны парашок дадаць непасрэдна ў халодную ваду без дастатковага памешвання, утворацца значныя камякі. Асноўнай прычынай злежвання з'яўляецца тое, што часціцы парашка CE не цалкам вільготныя. Калі раствараецца толькі частка парашка, утвараецца гелевая плёнка, якая перашкаджае далейшаму растварэнню астатняга парашка. Таму перад растварэннем часціцы CE павінны быць цалкам дыспергаваныя як мага больш. Звычайна выкарыстоўваюцца наступныя два метады дыспергавання.

3.1.1 Метад дысперсійнай сумесі

Гэты метад найбольш часта выкарыстоўваецца ў цэментных вырабах. Перад даданнем вады раўнамерна змяшайце іншы парашок з парашком CE, каб часціцы парашка CE дысперсныя. Мінімальная прапорцыя змешвання: іншы парашок: парашок CE = (3 ~ 7) : 1.

Пры гэтым метадзе дысперсія кефіру ажыццяўляецца ў сухім стане з выкарыстаннем іншага парашка ў якасці асяроддзя для дысперсіі часціц кефіру адна з адной, каб пазбегнуць узаемнага звязвання часціц кефіру пры даданні вады і далейшага растварэння. Такім чынам, гарачая вада для дысперсіі не патрэбна, але хуткасць растварэння залежыць ад часціц парашка і ўмоў перамешвання.

3.1.2 Метад дысперсіі гарачай вады

(1) Першыя 1/5 ~ 1/3 неабходнай колькасці вады награваюць да 90°C і вышэй, дадаюць CE і змешваюць, пакуль усе часціцы не рассейваюцца, а затым дадаюць астатнюю ваду ў халодную або ледзяную ваду, каб знізіць тэмпературу раствора. Пасля дасягнення тэмпературы растварэння CE парашок пачынае гідратаваць, а глейкасць павялічваецца.

(2) Таксама можна нагрэць усю ваду, а затым дадаць CE і памешваць, астуджаючы, пакуль не завершыцца гідратацыя. Дастатковае астуджэнне вельмі важна для поўнай гідратацыі CE і ўтварэння глейкасці. Для ідэальнай глейкасці раствор MC трэба астудзіць да 0~5℃, у той час як HPMC трэба астудзіць толькі да 20~25℃ або ніжэй. Паколькі поўная гідратацыя патрабуе дастатковага астуджэння, растворы HPMC звычайна выкарыстоўваюцца там, дзе нельга выкарыстоўваць халодную ваду: згодна з інфармацыяй, HPMC мае меншае зніжэнне тэмпературы, чым MC пры больш нізкіх тэмпературах, для дасягнення той жа глейкасці. Варта адзначыць, што метад дысперсійнага гарачага водання дазваляе часціцам CE раўнамерна дысперсійвацца толькі пры больш высокай тэмпературы, але пры гэтым раствор не ўтвараецца. Каб атрымаць раствор з пэўнай глейкасцю, яго неабходна зноў астудзіць.

3.2 Дысперсны парашок CE з апрацаванай паверхняй

У многіх выпадках патрабуецца, каб CE валодаў як дысперсійнымі, так і хуткагідратнымі (утвараючымі глейкасць) характарыстыкамі ў халоднай вадзе. Павярхоўна апрацаваны CE часова нерастваральны ў халоднай вадзе пасля спецыяльнай хімічнай апрацоўкі, што гарантуе, што пры даданні CE ў ваду ён не будзе адразу ўтвараць відавочную глейкасць і можа дыспергаваць пры адносна невялікіх умовах сілы зруху. «Час затрымкі» гідратацыі або ўтварэння глейкасці з'яўляецца вынікам камбінацыі ступені апрацоўкі паверхні, тэмпературы, pH сістэмы і канцэнтрацыі раствора CE. Затрымка гідратацыі звычайна памяншаецца пры больш высокіх канцэнтрацыях, тэмпературах і ўзроўнях pH. Аднак у цэлым канцэнтрацыя CE не ўлічваецца, пакуль яна не дасягне 5% (масавая доля вады).

Для дасягнення найлепшых вынікаў і поўнай гідратацыі апрацаваны CE варта змешваць на працягу некалькіх хвілін у нейтральных умовах, пры pH ад 8,5 да 9,0, пакуль не будзе дасягнута максімальная глейкасць (звычайна 10-30 хвілін). Пасля змены pH да шчолачнага (pH ад 8,5 да 9,0), апрацаваны CE цалкам і хутка раствараецца, і раствор можа быць стабільным пры pH ад 3 да 11. Аднак важна адзначыць, што рэгуляванне pH замесу высокай канцэнтрацыі прывядзе да таго, што глейкасць будзе занадта высокай для перапампоўвання і разлівання. pH варта рэгуляваць пасля таго, як замес будзе разведзены да патрэбнай канцэнтрацыі.

Карацей кажучы, працэс растварэння CE ўключае ў сябе два працэсы: фізічнае дысперсійнае растварэнне і хімічнае растварэнне. Галоўнае — дысперсійныя часціцы CE адна з адной перад растварэннем, каб пазбегнуць агламерацыі з-за высокай глейкасці падчас растварэння пры нізкай тэмпературы, якая паўплывае на далейшае растварэнне.

4. Уласцівасці раствора CE

Розныя віды водных раствораў CE гелеўтвараюць пры пэўных тэмпературах. Гель цалкам зварачальны і пры паўторным астуджэнні ўтварае раствор. Зварачальнае тэрмічнае гелеўтварэнне CE мае ўнікальную асаблівасць. У многіх цэментных вырабах асноўным выкарыстаннем з'яўляецца глейкасць CE і адпаведныя ўласцівасці ўтрымання вады і змазвання, а таксама прамая залежнасць паміж глейкасцю і тэмпературай геля, прычым пры тэмпературы геля, чым ніжэйшая тэмпература, тым вышэйшая глейкасць CE, тым лепшыя адпаведныя ўласцівасці ўтрымання вады.

Сучаснае тлумачэнне феномену геля такое: у працэсе растварэння гэта падобна

Малекулы палімера ніткі злучаюцца з малекулярным пластом вады, што прыводзіць да набракання. Малекулы вады дзейнічаюць як змазачнае масла, якое можа разрываць доўгія ланцугі малекул палімера, у выніку чаго раствор мае ўласцівасці вязкай вадкасці, якую лёгка скідаць. Пры павышэнні тэмпературы раствора цэлюлозны палімер паступова губляе ваду, і глейкасць раствора памяншаецца. Пры дасягненні кропкі гелеўтварэння палімер цалкам абязводжваецца, што прыводзіць да злучэння паміж палімерамі і ўтварэння геля: трываласць геля працягвае павялічвацца, калі тэмпература застаецца вышэй за кропку гелеўтварэння.

Па меры астывання раствора гель пачынае змяншацца, і глейкасць памяншаецца. Нарэшце, глейкасць астуджальнага раствора вяртаецца да пачатковай крывой павышэння тэмпературы і павялічваецца са зніжэннем тэмпературы. Раствор можна астудзіць да пачатковага значэння глейкасці. Такім чынам, працэс цеплавога гелявання пры КЭ з'яўляецца зварачальным.

Асноўная роля CE ў цэментных вырабах заключаецца ў якасці глейкасці, пластыфікатара і агента ўтрымання вады, таму кантроль глейкасці і тэмпературы геля стаў важным фактарам у цэментных вырабах, звычайна выкарыстоўваючы яго пачатковую тэмпературу геля ніжэй за ўчастак крывой, таму чым ніжэйшая тэмпература, тым вышэйшая глейкасць, тым больш відавочны эфект утрымання вады глейкасці. Вынікі выпрабаванняў на вытворчай лініі экструзійных цэментных пліт таксама паказваюць, што чым ніжэйшая тэмпература матэрыялу пры аднолькавым утрыманні CE, тым лепшы эфект глейкасці і ўтрымання вады. Паколькі цэментная сістэма з'яўляецца надзвычай складанай сістэмай фізічных і хімічных уласцівасцей, існуе мноства фактараў, якія ўплываюць на змяненне тэмпературы і глейкасці геля CE. І ўплыў розных тэндэнцый і ступеняў Taianin неаднолькавы, таму практычнае прымяненне таксама паказала, што пасля змешвання цэментнай сістэмы фактычная тэмпература геля CE (г.зн. зніжэнне эфекту ўтрымання вады і клею пры гэтай тэмпературы вельмі відавочнае) ніжэйшая за тэмпературу геля, паказаную прадуктам, таму пры выбары прадуктаў CE неабходна ўлічваць фактары, якія выклікаюць зніжэнне тэмпературы геля. Ніжэй прыведзены асноўныя фактары, якія, на нашу думку, уплываюць на глейкасць і тэмпературу геля раствора CE ў цэментных вырабах.

4.1 Уплыў значэння pH на глейкасць

MC і HPMC з'яўляюцца неіённымі, таму глейкасць раствора мае больш шырокі дыяпазон стабільнасці DH, чым глейкасць натуральнага іённага клею, але калі значэнне pH перавышае дыяпазон 3 ~ 11, яны будуць паступова зніжаць глейкасць пры больш высокай тэмпературы або пры працяглым захоўванні, асабліва растворы з высокай глейкасцю. Глейкасць раствора прадукту CE памяншаецца ў моцных кіслотах або моцных шчолачах, што ў асноўным звязана з дэгідратацыяй CE, выкліканай шчолаччу і кіслатой. Такім чынам, глейкасць CE звычайна да пэўнай ступені памяншаецца ў шчолачным асяроддзі цэментных вырабаў.

4.2 Уплыў хуткасці награвання і перамешвання на працэс гелеўтварэння

Тэмпература кропкі гелеўтварэння залежыць ад сумеснага ўздзеяння хуткасці награвання і хуткасці зруху перамешвання. Высокая хуткасць перамешвання і хуткі нагрэў, як правіла, значна павышаюць тэмпературу геля, што спрыяльна для цэментных вырабаў, атрыманых шляхам механічнага змешвання.

4.3 Уплыў канцэнтрацыі на гарачы гель

Павелічэнне канцэнтрацыі раствора звычайна зніжае тэмпературу геля, і кропкі геля ў CE з нізкай глейкасцю вышэйшыя, чым у CE з высокай глейкасцю. Напрыклад, METHOCEL A ад DOW.

Тэмпература геля будзе зніжацца на 10℃ на кожныя 2% павелічэння канцэнтрацыі прадукту. Павелічэнне канцэнтрацыі прадуктаў F-тыпу на 2% знізіць тэмпературу геля на 4℃.

4.4 Уплыў дабавак на тэрмічнае гелеўтварэнне

У галіне будаўнічых матэрыялаў многія матэрыялы з'яўляюцца неарганічнымі солямі, якія аказваюць значны ўплыў на тэмпературу геля раствора CE. У залежнасці ад таго, дзейнічае дабаўка як каагулянт або солюбілізатар, некаторыя дабаўкі могуць павышаць тэмпературу геля CE, а іншыя могуць зніжаць тэмпературу геля CE: напрыклад, этанол, які ўзмацняе растваральнік, PEG-400 (поліэтыленгліколь), андыёл і г.д. могуць павышаць тэмпературу геля. Солі, гліцэрын, сарбіт і іншыя рэчывы зніжаюць тэмпературу геля, неіённы CE звычайна не выпадае ў асадак з-за полівалентных іонаў металаў, але калі канцэнтрацыя электраліта або іншых раствораных рэчываў перавышае пэўную мяжу, прадукты CE могуць высалівацца ў растворы, гэта звязана з канкурэнцыяй электралітаў за ваду, што прыводзіць да зніжэння гідратацыі CE. Змест солі ў растворы прадукту CE звычайна крыху вышэйшы, чым у прадукце Mc, і змест солі крыху адрозніваецца ў розных HPMC.

Многія інгрэдыенты ў цэментных вырабах прыводзяць да зніжэння тэмпературы гелеўтварэння CE, таму пры выбары дабавак варта ўлічваць, што гэта можа прывесці да змяненняў тэмпературы гелеўтварэння і глейкасці CE.

5. Заключэнне

(1) Эфір цэлюлозы — гэта натуральная цэлюлоза, атрыманая ў выніку рэакцыі этэрыфікацыі, асноўная структурная адзінка якой — дэгідратаваная глюкоза, і ўласцівасці яе адрозніваюцца ў залежнасці ад тыпу і колькасці замяшчальнікаў у становішчы замяшчэння. Неіённыя эфіры, такія як MC і HPMC, могуць выкарыстоўвацца ў якасці загушчальніка, водаўтрымліваючага агента, паветраўцягваючага агента і іншых шырока выкарыстоўваных у будаўнічых матэрыялах.

(2) CE мае ўнікальную растваральнасць, утвараючы раствор пры пэўнай тэмпературы (напрыклад, тэмпературы геля), і ўтвараючы цвёрды гель або сумесь цвёрдых часціц пры тэмпературы геля. Асноўнымі метадамі растварэння з'яўляюцца метад сухога змешвання і дысперсійнага змешвання, метад дысперсійнага змешвання ў гарачай вадзе і г.д., у цэментных вырабах звычайна выкарыстоўваецца метад сухога змешвання і дысперсійнага змешвання. Галоўнае — раўнамерна дысперсаваць CE да таго, як ён растварыцца, утвараючы раствор пры нізкіх тэмпературах.

(3) Канцэнтрацыя раствора, тэмпература, значэнне pH, хімічныя ўласцівасці дабавак і хуткасць перамешвання будуць уплываць на тэмпературу геля і глейкасць раствора CE, асабліва цэментныя вырабы, якія з'яўляюцца растворамі неарганічных соляў у шчолачным асяроддзі, звычайна зніжаюць тэмпературу геля і глейкасць раствора CE, што прыводзіць да неспрыяльных наступстваў. Такім чынам, у адпаведнасці з характарыстыкамі CE, па-першае, яго варта выкарыстоўваць пры нізкай тэмпературы (ніжэй за тэмпературу геля), а па-другое, неабходна ўлічваць уплыў дабавак.