اتر سلولز در محصولات مبتنی بر سیمان

سلولز اتر نوعی افزودنی چند منظوره است که می تواند در محصولات سیمانی استفاده شود.این مقاله خواص شیمیایی متیل سلولز (MC) و هیدروکسی پروپیل متیل سلولز (HPMC /) که معمولا در محصولات سیمانی استفاده می شود، روش و اصل محلول خالص و ویژگی های اصلی محلول را معرفی می کند.کاهش دمای ژل حرارتی و ویسکوزیته در محصولات سیمانی بر اساس تجربه تولید عملی مورد بحث قرار گرفت.

کلید واژه ها:اتر سلولز؛متیل سلولز؛هیدروکسی پروپیل متیل سلولز;دمای ژل داغ؛ویسکوزیته

1. بررسی اجمالی

اتر سلولز (به اختصار CE) از طریق واکنش اتریفیکاسیون یک یا چند عامل اتریف کننده و آسیاب خشک از سلولز ساخته می شود.CE را می توان به انواع یونی و غیر یونی تقسیم کرد که در میان آنها نوع غیر یونی CE به دلیل ویژگی های منحصر به فرد ژل حرارتی و حلالیت، مقاومت در برابر نمک، مقاومت در برابر حرارت و فعالیت سطحی مناسبی دارد.می توان از آن به عنوان نگهدارنده آب، عامل تعلیق، امولسیفایر، عامل تشکیل فیلم، روان کننده، چسب و بهبود دهنده رئولوژیکی استفاده کرد.مناطق اصلی مصرف خارجی عبارتند از پوشش های لاتکس، مصالح ساختمانی، حفاری نفت و غیره.در مقایسه با کشورهای خارجی، تولید و کاربرد CE محلول در آب هنوز در مراحل اولیه است.با ارتقای سطح آگاهی مردم و محیط زیست.CE محلول در آب که برای فیزیولوژی بی ضرر است و محیط زیست را آلوده نمی کند، توسعه زیادی خواهد داشت.

در زمینه مصالح ساختمانی معمولاً CE متیل سلولز (MC) و هیدروکسی پروپیل متیل سلولز (HPMC) انتخاب می شود، می تواند به عنوان رنگ، گچ، ملات و محصولات سیمانی نرم کننده، ویسکوزیفایر، عامل نگهدارنده آب، عامل حباب کننده هوا و عامل کند کننده استفاده شود.بیشتر صنایع مصالح ساختمانی در دمای معمولی مورد استفاده قرار می گیرند، شرایط استفاده از پودر مخلوط خشک و آب، کمتر شامل ویژگی های انحلال و ویژگی های ژل داغ CE است، اما در تولید مکانیزه محصولات سیمانی و سایر شرایط دمایی خاص، این ویژگی ها CE نقش کامل تری ایفا خواهد کرد.

2. خواص شیمیایی CE

CE با تصفیه سلولز از طریق یک سری روش های شیمیایی و فیزیکی به دست می آید.با توجه به ساختار جایگزینی شیمیایی مختلف، معمولاً می توان به موارد زیر تقسیم کرد: MC، HPMC، هیدروکسی اتیل سلولز (HEC) و غیره: هر CE دارای ساختار اصلی سلولز است - گلوکز دهیدراته.در فرآیند تولید CE، الیاف سلولزی ابتدا در محلول قلیایی حرارت داده می‌شوند و سپس با عوامل اتریف‌کننده تصفیه می‌شوند.محصولات واکنش فیبری خالص و پودر می شوند تا پودری یکنواخت با ظرافت خاصی تشکیل شود.

در فرآیند تولید MC فقط از کلرید متان به عنوان عامل اتریف کننده استفاده می شود.علاوه بر استفاده از متان کلرید، در تولید HPMC از پروپیلن اکسید نیز برای به دست آوردن گروه های جایگزین هیدروکسی پروپیل استفاده می شود.CE های مختلف دارای نرخ های مختلف جایگزینی متیل و هیدروکسی پروپیل هستند که بر سازگاری آلی و دمای ژل حرارتی محلول CE تأثیر می گذارد.

تعداد گروه‌های جانشینی روی واحدهای ساختاری گلوکز بی‌آب سلولز را می‌توان با درصد جرم یا میانگین تعداد گروه‌های جایگزین بیان کرد (یعنی DS - درجه جایگزینی).تعداد گروه های جایگزین، خواص محصولات CE را تعیین می کند.تأثیر میانگین درجه جانشینی بر حلالیت محصولات اتریفیکاسیون به شرح زیر است:

(1) درجه جایگزینی کم محلول در لیمو.

(2) درجه کمی جایگزینی محلول در آب.

(3) درجه بالایی از جایگزینی حل شده در حلال های آلی قطبی.

(4) درجه بالاتری از جایگزینی حل شده در حلال های آلی غیر قطبی.

3. روش انحلال CE

CE دارای خاصیت انحلال پذیری منحصر به فردی است، هنگامی که دما به دمای معینی می رسد در آب نامحلول است، اما در زیر این دما با کاهش دما، حلالیت آن افزایش می یابد.CE از طریق فرآیند تورم و هیدراتاسیون در آب سرد (و در برخی موارد در حلال‌های آلی خاص) محلول است.محلول های CE محدودیت های حلالیت آشکاری که در انحلال نمک های یونی ظاهر می شوند را ندارند.غلظت CE به طور کلی محدود به ویسکوزیته ای است که می تواند توسط تجهیزات تولید کنترل شود و همچنین با توجه به ویسکوزیته و تنوع شیمیایی مورد نیاز کاربر تغییر می کند.غلظت محلول CE با ویسکوزیته کم معمولاً 10٪ تا 15٪ است و CE ویسکوزیته بالا معمولاً به 2٪ تا 3٪ محدود می شود.انواع مختلف CE (مانند پودر یا پودر سطحی یا گرانول) می توانند بر نحوه تهیه محلول تأثیر بگذارند.

3.1 CE بدون عملیات سطحی

اگرچه CE در آب سرد محلول است، اما باید به طور کامل در آب پراکنده شود تا کلوخه نشود.در برخی موارد، میکسر یا قیف با سرعت بالا ممکن است در آب سرد برای پخش کردن پودر CE استفاده شود.با این حال، اگر پودر تصفیه نشده مستقیماً بدون هم زدن کافی به آب سرد اضافه شود، توده های قابل توجهی تشکیل می شود.دلیل اصلی کیک شدن این است که ذرات پودر CE کاملا مرطوب نیستند.هنگامی که تنها بخشی از پودر حل می شود، یک لایه ژل تشکیل می شود که از ادامه حل شدن پودر باقی مانده جلوگیری می کند.بنابراین، قبل از انحلال، ذرات CE باید تا آنجا که ممکن است به طور کامل پراکنده شوند.دو روش پراکندگی زیر معمولا استفاده می شود.

3.1.1 روش پراکندگی مخلوط خشک

این روش بیشتر در محصولات سیمانی استفاده می شود.قبل از اضافه کردن آب، پودر دیگر را با پودر CE به طور یکنواخت مخلوط کنید تا ذرات پودر CE پراکنده شوند.حداقل نسبت اختلاط: پودر دیگر: پودر CE = (3 ~ 7) : 1.

در این روش، پراکندگی CE در حالت خشک، با استفاده از پودر دیگر به عنوان واسطه برای پراکندگی ذرات CE با یکدیگر، تکمیل می شود تا از پیوند متقابل ذرات CE در هنگام افزودن آب و تأثیر بر انحلال بیشتر جلوگیری شود.بنابراین، برای پراکندگی نیازی به آب داغ نیست، اما سرعت انحلال بستگی به ذرات پودر و شرایط هم زدن دارد.

3.1.2 روش پراکندگی آب گرم

(1) 1/5 ~ 1/3 اول از گرم کردن آب مورد نیاز تا 90 درجه سانتیگراد بالا، CE را اضافه کنید و سپس هم بزنید تا همه ذرات مرطوب شوند و سپس آب باقیمانده را در آب سرد یا یخ اضافه کنید تا دمای آب کاهش یابد. محلول، پس از رسیدن به دمای انحلال CE، پودر شروع به هیدراته شدن کرد، ویسکوزیته افزایش یافت.

(2) همچنین می توانید تمام آب را گرم کنید و سپس CE را اضافه کنید تا در حین خنک شدن هم بزنید تا هیدراتاسیون کامل شود.خنک سازی کافی برای هیدراتاسیون کامل CE و تشکیل ویسکوزیته بسیار مهم است.برای ویسکوزیته ایده آل، محلول MC باید تا 0 ~ 5 ℃ خنک شود، در حالی که HPMC فقط باید تا 20 ~ 25 ℃ یا کمتر خنک شود.از آنجایی که هیدراتاسیون کامل نیاز به خنک‌سازی کافی دارد، محلول‌های HPMC معمولاً در مواردی استفاده می‌شوند که نمی‌توان از آب سرد استفاده کرد: طبق اطلاعات، HPMC کاهش دما کمتری نسبت به MC در دماهای پایین‌تر برای دستیابی به ویسکوزیته یکسان دارد.شایان ذکر است که روش پراکندگی آب گرم تنها باعث می شود که ذرات CE در دمای بالاتر به طور یکنواخت پراکنده شوند، اما در این زمان هیچ محلولی تشکیل نمی شود.برای به دست آوردن محلولی با ویسکوزیته مشخص، باید دوباره خنک شود.

3.2 پودر CE پراکنده تحت درمان با سطح

در بسیاری از موارد، CE مورد نیاز است که هر دو ویژگی هیدراتاسیون پراکنده و سریع (ویسکوزیته تشکیل) در آب سرد داشته باشد.CE تصفیه شده سطحی به طور موقت پس از عملیات شیمیایی خاص در آب سرد نامحلول است، که تضمین می کند وقتی CE به آب اضافه می شود، بلافاصله ویسکوزیته آشکار ایجاد نمی کند و می تواند تحت شرایط نیروی برشی نسبتاً کوچک پراکنده شود."زمان تاخیر" هیدراتاسیون یا تشکیل ویسکوزیته نتیجه ترکیب درجه عملیات سطحی، دما، pH سیستم و غلظت محلول CE است.تاخیر هیدراتاسیون به طور کلی در غلظت‌ها، دماها و سطوح pH بالاتر کاهش می‌یابد.اما به طور کلی، غلظت CE تا زمانی که به 5٪ (نسبت جرمی آب) نرسد در نظر گرفته نمی شود.

برای بهترین نتایج و هیدراتاسیون کامل، سطح تحت درمان با CE باید برای چند دقیقه در شرایط خنثی، با محدوده pH از 8.5 تا 9.0، تا زمانی که به حداکثر ویسکوزیته (معمولاً 10-30 دقیقه) برسد، هم بزنید.هنگامی که PH به پایه تغییر کرد (pH 8.5 تا 9.0)، سطح CE تیمار شده به طور کامل و سریع حل می شود و محلول می تواند در pH 3 تا 11 پایدار باشد. با این حال، توجه به این نکته مهم است که تنظیم pH دوغاب با غلظت بالا باعث می شود ویسکوزیته برای پمپاژ و ریختن بیش از حد بالا باشد.PH باید پس از رقیق شدن دوغاب به غلظت مورد نظر تنظیم شود.

به طور خلاصه، فرآیند انحلال CE شامل دو فرآیند است: پراکندگی فیزیکی و انحلال شیمیایی.نکته کلیدی پراکندگی ذرات CE با یکدیگر قبل از انحلال است تا از تجمع به دلیل ویسکوزیته بالا در طول انحلال در دمای پایین جلوگیری شود که بر انحلال بیشتر تأثیر می گذارد.

4. خواص راه حل CE

انواع مختلف محلول های آبی CE در دمای خاص خود ژله می شوند.ژل کاملا برگشت پذیر است و پس از سرد شدن دوباره محلول تشکیل می دهد.ژل شدن حرارتی برگشت پذیر CE منحصر به فرد است.در بسیاری از محصولات سیمانی، استفاده اصلی از ویسکوزیته CE و خواص نگهداری آب و روانکاری مربوطه، و ویسکوزیته و دمای ژل رابطه مستقیمی دارد، تحت دمای ژل، هر چه دما کمتر باشد، ویسکوزیته CE بالاتر است. عملکرد احتباس آب مربوطه بهتر است.

توضیح فعلی برای پدیده ژل این است: در فرآیند انحلال، این مشابه است

مولکول های پلیمری نخ به لایه مولکولی آب متصل می شوند و در نتیجه متورم می شوند.مولکول‌های آب مانند روغن روان‌کننده عمل می‌کنند، که می‌تواند زنجیره‌های بلند مولکول‌های پلیمری را از هم جدا کند، به طوری که محلول دارای خواص یک مایع چسبناک است که به راحتی تخلیه می‌شود.هنگامی که دمای محلول افزایش می یابد، پلیمر سلولز به تدریج آب خود را از دست می دهد و ویسکوزیته محلول کاهش می یابد.با رسیدن به نقطه ژل، پلیمر کاملاً کم آب می شود و در نتیجه پیوند بین پلیمرها و تشکیل ژل ایجاد می شود: با باقی ماندن دما در بالای نقطه ژل، استحکام ژل همچنان افزایش می یابد.

با سرد شدن محلول، ژل شروع به برگشت کرده و ویسکوزیته کاهش می یابد.در نهایت ویسکوزیته محلول خنک کننده به منحنی افزایش دمای اولیه باز می گردد و با کاهش دما افزایش می یابد.محلول ممکن است تا مقدار ویسکوزیته اولیه خنک شود.بنابراین، فرآیند ژل حرارتی CE برگشت پذیر است.

نقش اصلی CE در محصولات سیمانی به عنوان یک ویسکوزیفایر، نرم کننده و عامل نگهدارنده آب است، بنابراین نحوه کنترل ویسکوزیته و دمای ژل به عامل مهمی در محصولات سیمانی تبدیل شده است که معمولاً از نقطه دمای اولیه ژل آن در زیر یک مقطع منحنی استفاده می شود. بنابراین هر چه دما کمتر باشد، ویسکوزیته بالاتر، اثر احتباس آب ویسکوزیفایر آشکارتر است.نتایج آزمایش خط تولید تخته سیمان اکستروژن نیز نشان می‌دهد که هرچه دمای مواد تحت همان مقدار CE کمتر باشد، ویسکوزیزه شدن و اثر حفظ آب بهتر است.از آنجایی که سیستم سیمانی یک سیستم خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار پیچیده است، عوامل زیادی بر تغییر دما و ویسکوزیته ژل CE تأثیر می‌گذارند.و تأثیر روند و درجه مختلف تایانین یکسان نیست، بنابراین کاربرد عملی همچنین نشان داد که پس از اختلاط سیستم سیمان، نقطه دمای واقعی ژل CE (یعنی کاهش اثر چسب و احتباس آب در این دما بسیار آشکار است. ) کمتر از دمای ژل نشان داده شده توسط محصول هستند، بنابراین در انتخاب محصولات CE باید عوامل کاهش دمای ژل را در نظر گرفت.موارد زیر عوامل اصلی هستند که به اعتقاد ما بر ویسکوزیته و دمای ژل محلول CE در محصولات سیمانی تأثیر می گذارد.

4.1 تأثیر مقدار pH بر ویسکوزیته

MC و HPMC غیر یونی هستند، بنابراین ویسکوزیته محلول نسبت به چسب یونی طبیعی، دامنه پایداری DH وسیع تری دارد، اما اگر مقدار pH از محدوده 3 تا 11 بیشتر شود، به تدریج ویسکوزیته را کاهش می دهند. دمای بالاتر یا در انبار برای مدت طولانی، به خصوص محلول با ویسکوزیته بالا.ویسکوزیته محلول محصول CE در محلول اسید قوی یا محلول باز قوی کاهش می یابد که عمدتاً به دلیل کم آبی CE ناشی از باز و اسید است.بنابراین ویسکوزیته CE معمولاً در محیط قلیایی محصولات سیمانی تا حدودی کاهش می یابد.

4.2 تأثیر سرعت حرارت دادن و هم زدن بر فرآیند ژل

دمای نقطه ژل تحت تأثیر اثر ترکیبی سرعت گرمایش و سرعت برش هم زدن قرار خواهد گرفت.همزدن با سرعت بالا و حرارت دادن سریع به طور کلی دمای ژل را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد که برای محصولات سیمانی که از اختلاط مکانیکی تشکیل می شوند مطلوب است.

4.3 تأثیر غلظت بر روی ژل داغ

افزایش غلظت محلول معمولا دمای ژل را کاهش می دهد و نقاط ژل CE با ویسکوزیته پایین بیشتر از نقاط CE با ویسکوزیته بالا است.مانند DOW's METHOCEL A

دمای ژل به ازای هر 2% افزایش در غلظت محصول 10 درجه سانتیگراد کاهش می یابد.افزایش 2 درصدی در غلظت محصولات نوع F دمای ژل را تا 4 درجه کاهش می دهد.

4.4 تأثیر مواد افزودنی بر ژل شدن حرارتی

در زمینه مصالح ساختمانی، بسیاری از مواد نمک های معدنی هستند که تاثیر بسزایی در دمای ژل محلول CE خواهند داشت.بسته به اینکه ماده افزودنی به عنوان عامل منعقد کننده یا حل کننده عمل می کند، برخی از افزودنی ها می توانند دمای ژل حرارتی CE را افزایش دهند، در حالی که برخی دیگر می توانند دمای ژل حرارتی CE را کاهش دهند: به عنوان مثال، اتانول تقویت کننده حلال، PEG-400 (پلی اتیلن گلیکول) آندیول و غیره می توانند نقطه ژل را افزایش دهند.نمک ها، گلیسیرین، سوربیتول و سایر مواد نقطه ژل را کاهش می دهند، CE غیر یونی به طور کلی به دلیل یون های فلزی چند ظرفیتی رسوب نمی کند، اما زمانی که غلظت الکترولیت یا سایر مواد محلول از حد معینی فراتر رفت، محصولات CE را می توان نمک زد. محلول، این به دلیل رقابت الکترولیت ها با آب است که منجر به کاهش هیدراتاسیون CE می شود، محتوای نمک محلول محصول CE به طور کلی کمی بیشتر از محصول Mc است و محتوای نمک کمی متفاوت است. در HPMC های مختلف

بسیاری از مواد تشکیل دهنده در محصولات سیمانی باعث افت نقطه ژل CE می شوند، بنابراین در انتخاب مواد افزودنی باید توجه داشت که این ممکن است باعث تغییر نقطه ژل و ویسکوزیته CE شود.

5. نتیجه گیری

(1) اتر سلولز سلولز طبیعی از طریق واکنش اتریفیکاسیون است، دارای واحد ساختاری پایه گلوکز دهیدراته، با توجه به نوع و تعداد گروه های جایگزین در موقعیت جایگزینی آن است و دارای خواص متفاوتی است.اتر غیر یونی مانند MC و HPMC را می توان به عنوان ویسکوزیفایر، عامل حفظ آب، عامل حباب هوا و سایر موارد به طور گسترده در محصولات مصالح ساختمانی استفاده کرد.

(2) CE حلالیت منحصر به فردی دارد، تشکیل محلول در دمای معین (مانند دمای ژل)، و تشکیل ژل جامد یا مخلوط ذرات جامد در دمای ژل.روش های اصلی انحلال عبارتند از روش پراکندگی اختلاط خشک، روش پراکندگی آب گرم و غیره، در محصولات سیمانی معمولاً از روش پراکندگی اختلاط خشک استفاده می شود.نکته کلیدی این است که CE قبل از حل شدن به طور یکنواخت پخش شود و در دماهای پایین محلولی تشکیل شود.

(3) غلظت محلول، دما، مقدار pH، خواص شیمیایی مواد افزودنی و سرعت هم زدن بر دمای ژل و ویسکوزیته محلول CE تأثیر می گذارد، به ویژه محصولات سیمانی محلول های نمک معدنی در محیط قلیایی هستند، معمولاً دمای ژل و ویسکوزیته محلول CE را کاهش می دهند. ، عوارض نامطلوب به همراه دارد.بنابراین، با توجه به ویژگی های CE، اولاً باید در دمای پایین (زیر دمای ژل) استفاده شود و ثانیاً تأثیر مواد افزودنی در نظر گرفته شود.