Sviluppo di nuovi eteri di cellulosa HEMC per ridurre l'agglomerazione negli intonaci spruzzati a macchina a base di gesso

Sviluppo di nuovi eteri di cellulosa HEMC per ridurre l'agglomerazione negli intonaci spruzzati a macchina a base di gesso

L'intonaco spruzzato a macchina (GSP) a base di gesso è stato ampiamente utilizzato nell'Europa occidentale sin dagli anni '70.L'emergere della spruzzatura meccanica ha effettivamente migliorato l'efficienza della costruzione dell'intonaco riducendo i costi di costruzione.Con l'approfondimento della commercializzazione GSP, l'etere di cellulosa idrosolubile è diventato un additivo chiave.L'etere di cellulosa conferisce a GSP buone prestazioni di ritenzione idrica, che limitano l'assorbimento di umidità del supporto nell'intonaco, ottenendo così un tempo di presa stabile e buone proprietà meccaniche.Inoltre, la specifica curva reologica dell'etere di cellulosa può migliorare l'effetto della spruzzatura meccanica e semplificare notevolmente i successivi processi di livellamento e finitura della malta.

Nonostante gli ovvi vantaggi degli eteri di cellulosa nelle applicazioni GSP, può anche potenzialmente contribuire alla formazione di grumi secchi quando viene spruzzato.Questi grumi non bagnati sono anche noti come grumi o agglomeranti e possono influire negativamente sul livellamento e sulla finitura della malta.L'agglomerazione può ridurre l'efficienza del sito e aumentare il costo delle applicazioni di prodotti in gesso ad alte prestazioni.Per comprendere meglio l'effetto degli eteri di cellulosa sulla formazione di grumi in GSP, abbiamo condotto uno studio per cercare di identificare i parametri rilevanti del prodotto che influenzano la loro formazione.Sulla base dei risultati di questo studio, abbiamo sviluppato una serie di prodotti di etere di cellulosa con una ridotta tendenza all'agglomerazione e li abbiamo valutati nelle applicazioni pratiche.

Parole chiave: etere di cellulosa;intonaco spray a macchina per gesso;tasso di dissoluzione;morfologia delle particelle

1.introduzione

Gli eteri di cellulosa idrosolubili sono stati utilizzati con successo negli intonaci spruzzati a macchina (GSP) a base di gesso per regolare il fabbisogno idrico, migliorare la ritenzione idrica e migliorare le proprietà reologiche delle malte.Pertanto, aiuta a migliorare le prestazioni della malta bagnata, garantendo così la resistenza richiesta della malta.Grazie alle sue proprietà commercialmente valide e rispettose dell'ambiente, la miscela secca GSP è diventata un materiale da costruzione per interni ampiamente utilizzato in tutta Europa negli ultimi 20 anni.

I macchinari per la miscelazione e la spruzzatura della miscela secca GSP sono commercializzati con successo da decenni.Sebbene alcune caratteristiche tecniche delle apparecchiature di diversi produttori varino, tutte le macchine spruzzatrici disponibili in commercio consentono un tempo di agitazione molto limitato per l'acqua da miscelare con la malta a secco di gesso contenente etere di cellulosa.Generalmente, l'intero processo di miscelazione richiede solo pochi secondi.Dopo la miscelazione, la malta bagnata viene pompata attraverso il tubo di mandata e spruzzata sulla parete del supporto.L'intero processo viene completato in un minuto.Tuttavia, in un periodo di tempo così breve, gli eteri di cellulosa devono essere completamente dissolti per sviluppare appieno le loro proprietà nell'applicazione.L'aggiunta di prodotti a base di etere di cellulosa finemente macinati alle formulazioni di malta di gesso garantisce la completa dissoluzione durante questo processo di spruzzatura.

L'etere di cellulosa finemente macinato aumenta rapidamente la consistenza a contatto con l'acqua durante l'agitazione nello spruzzatore.Il rapido aumento di viscosità causato dalla dissoluzione dell'etere di cellulosa crea problemi con la concomitante bagnatura con acqua delle particelle di materiale gessoso cementizio.Man mano che l'acqua inizia ad addensarsi, diventa meno fluida e non può penetrare nei piccoli pori tra le particelle di gesso.Dopo che l'accesso ai pori è stato bloccato, il processo di bagnatura delle particelle di materiale cementizio da parte dell'acqua viene ritardato.Il tempo di miscelazione nello spruzzatore è stato inferiore al tempo necessario per bagnare completamente le particelle di gesso, il che ha provocato la formazione di grumi di polvere secca nella malta fresca bagnata.Una volta che questi grumi si sono formati, ostacolano l'efficienza degli operatori nelle lavorazioni successive: il livellamento della malta con grumi è molto fastidioso e richiede più tempo.Anche dopo che la malta si è solidificata, possono comparire grumi inizialmente formati.Ad esempio, coprire i ciuffi all'interno durante la costruzione porterà alla comparsa di aree scure nella fase successiva, che non vogliamo vedere.

Sebbene gli eteri di cellulosa siano stati usati come additivi nel GSP per molti anni, il loro effetto sulla formazione di grumi non bagnati finora non è stato studiato molto.Questo articolo presenta un approccio sistematico che può essere utilizzato per comprendere la causa principale dell'agglomerazione dal punto di vista dell'etere di cellulosa.

2. Ragioni per la formazione di grumi non bagnati in SPG

2.1 Bagnatura di intonaci a base di gesso

Nelle prime fasi di definizione del programma di ricerca, sono state raccolte una serie di possibili cause alla radice della formazione di grumi nel CSP.Successivamente, attraverso l'analisi assistita da computer, il problema si concentra sull'esistenza di una soluzione tecnica pratica.Attraverso questi lavori è stata preliminarmente vagliata la soluzione ottimale alla formazione di agglomerati in GSP.Da considerazioni sia tecniche che commerciali, è esclusa la via tecnica per modificare la bagnatura delle particelle di gesso mediante trattamento superficiale.Dal punto di vista commerciale è esclusa l'idea di sostituire l'impianto esistente con un impianto di spruzzatura dotato di una camera di miscelazione appositamente progettata che possa garantire una sufficiente miscelazione di acqua e malta.

Un'altra opzione è quella di utilizzare agenti bagnanti come additivi nelle formulazioni di gesso e abbiamo già trovato un brevetto per questo.Tuttavia, l'aggiunta di questo additivo influisce inevitabilmente negativamente sulla lavorabilità dell'intonaco.Ancora più importante, cambia le proprietà fisiche della malta, in particolare la durezza e la resistenza.Quindi non abbiamo approfondito troppo.Inoltre, si ritiene che anche l'aggiunta di agenti bagnanti possa avere un impatto negativo sull'ambiente.

Considerando che l'etere di cellulosa fa già parte della formulazione dell'intonaco a base gesso, l'ottimizzazione dell'etere di cellulosa stessa diventa la migliore soluzione che si possa scegliere.Allo stesso tempo, non deve pregiudicare le proprietà di ritenzione idrica o pregiudicare le proprietà reologiche dell'intonaco in uso.Sulla base dell'ipotesi precedentemente proposta che la generazione di polveri non bagnate in GSP sia dovuta all'aumento eccessivamente rapido della viscosità degli eteri di cellulosa dopo il contatto con l'acqua durante l'agitazione, il controllo delle caratteristiche di dissoluzione degli eteri di cellulosa è diventato l'obiettivo principale del nostro studio .

2.2 Tempo di dissoluzione dell'etere di cellulosa

Un modo semplice per rallentare la velocità di dissoluzione degli eteri di cellulosa è utilizzare prodotti di qualità granulare.Lo svantaggio principale dell'utilizzo di questo approccio in GSP è che le particelle troppo grossolane non si dissolvono completamente entro la breve finestra di agitazione di 10 secondi nello spruzzatore, il che porta a una perdita di ritenzione idrica.Inoltre, il rigonfiamento dell'etere di cellulosa non disciolto nella fase successiva porterà ad un ispessimento dopo l'intonacatura e influenzerà le prestazioni della costruzione, che è ciò che non vogliamo vedere.

Un'altra opzione per ridurre la velocità di dissoluzione degli eteri di cellulosa è quella di reticolare in modo reversibile la superficie degli eteri di cellulosa con il gliossale.Tuttavia, poiché la reazione di reticolazione è controllata dal pH, la velocità di dissoluzione degli eteri di cellulosa dipende fortemente dal pH della soluzione acquosa circostante.Il valore del pH del sistema GSP miscelato con calce spenta è molto alto e i legami di reticolazione del gliossale sulla superficie si aprono rapidamente dopo il contatto con l'acqua e la viscosità inizia a salire istantaneamente.Pertanto, tali trattamenti chimici non possono svolgere un ruolo nel controllo del tasso di dissoluzione in GSP.

Il tempo di dissoluzione degli eteri di cellulosa dipende anche dalla loro morfologia particellare.Tuttavia, questo fatto finora non ha ricevuto molta attenzione, sebbene l'effetto sia molto significativo.Hanno un tasso di dissoluzione lineare costante [kg/(m2•s)], quindi la loro dissoluzione e accumulo di viscosità sono proporzionali alla superficie disponibile.Questa velocità può variare in modo significativo con i cambiamenti nella morfologia delle particelle di cellulosa.Nei nostri calcoli si presuppone che la piena viscosità (100%) venga raggiunta dopo 5 secondi di agitazione.

I calcoli di diverse morfologie delle particelle hanno mostrato che le particelle sferiche avevano una viscosità del 35% della viscosità finale a metà del tempo di miscelazione.Nello stesso periodo di tempo, le particelle di etere di cellulosa a forma di bastoncello possono raggiungere solo il 10%.Le particelle a forma di disco hanno appena iniziato a dissolversi dopo2,5 secondi.

Sono incluse anche le caratteristiche di solubilità ideali per gli eteri di cellulosa in GSP.Ritardare l'aumento della viscosità iniziale per più di 4,5 secondi.Successivamente, la viscosità è aumentata rapidamente per raggiungere la viscosità finale entro 5 secondi dal tempo di miscelazione con agitazione.In GSP, un tempo di dissoluzione ritardato così lungo consente al sistema di avere una bassa viscosità e l'acqua aggiunta può bagnare completamente le particelle di gesso ed entrare nei pori tra le particelle senza disturbi.

3. Morfologia delle particelle dell'etere di cellulosa

3.1 Misura della morfologia delle particelle

Poiché la forma delle particelle di etere di cellulosa ha un impatto così significativo sulla solubilità, è necessario innanzitutto determinare i parametri che descrivono la forma delle particelle di etere di cellulosa, quindi identificare le differenze tra non bagnabilità La formazione di agglomerati è un parametro particolarmente rilevante .

Abbiamo ottenuto la morfologia delle particelle di etere di cellulosa mediante tecnica di analisi dinamica delle immagini.La morfologia delle particelle degli eteri di cellulosa può essere completamente caratterizzata utilizzando un analizzatore di immagini digitali SYMPATEC (prodotto in Germania) e specifici strumenti di analisi software.I parametri di forma delle particelle più importanti sono risultati essere la lunghezza media delle fibre espressa come LEFI(50,3) e il diametro medio espresso come DIFI(50,3).I dati sulla lunghezza media della fibra sono considerati come l'intera lunghezza di una certa particella di etere di cellulosa sparsa.

Di solito i dati sulla distribuzione delle dimensioni delle particelle come il diametro medio della fibra DIFI possono essere calcolati in base al numero di particelle (indicato con 0), lunghezza (indicato con 1), area (indicato con 2) o volume (indicato con 3).Tutte le misurazioni dei dati delle particelle in questo documento si basano sul volume e sono quindi indicate con un suffisso 3.Ad esempio, in DIFI(50,3), 3 indica la distribuzione del volume e 50 indica che il 50% della curva di distribuzione granulometrica è inferiore al valore indicato e l'altro 50% è maggiore del valore indicato.I dati sulla forma delle particelle di etere di cellulosa sono forniti in micrometri (µm).

3.2 Etere di cellulosa dopo l'ottimizzazione della morfologia delle particelle

Tenendo conto dell'effetto della superficie delle particelle, il tempo di dissoluzione delle particelle di etere di cellulosa con una forma particellare simile a un bastoncino dipende fortemente dal diametro medio della fibra DIFI (50,3).Sulla base di questo presupposto, il lavoro di sviluppo sugli eteri di cellulosa è stato finalizzato all'ottenimento di prodotti con diametro medio delle fibre maggiore DIFI (50,3) per migliorare la solubilità della polvere.

Tuttavia, non si prevede che un aumento della lunghezza media delle fibre DIFI(50,3) sia accompagnato da un aumento della dimensione media delle particelle.Aumentando insieme entrambi i parametri si otterranno particelle troppo grandi per dissolversi completamente entro il tipico tempo di agitazione di 10 secondi della spruzzatura meccanica.

Pertanto, un'idrossietilmetilcellulosa ideale (HEMC) dovrebbe avere un diametro medio della fibra maggiore DIFI(50,3) pur mantenendo la lunghezza media della fibra LEFI(50,3).Utilizziamo un nuovo processo di produzione di etere di cellulosa per produrre un HEMC migliorato.La forma delle particelle dell'etere di cellulosa idrosolubile ottenuto attraverso questo processo di produzione è completamente diversa dalla forma delle particelle della cellulosa utilizzata come materia prima per la produzione.In altre parole, il processo di produzione consente al design della forma delle particelle dell'etere di cellulosa di essere indipendente dalle materie prime di produzione.

Tre immagini al microscopio elettronico a scansione: una dell'etere di cellulosa prodotto dal processo standard e una dell'etere di cellulosa prodotto dal nuovo processo con un diametro maggiore di DIFI (50,3) rispetto ai prodotti di strumenti di processo convenzionali.Viene inoltre mostrata la morfologia della cellulosa finemente macinata utilizzata nella produzione di questi due prodotti.

Confrontando le microfotografie elettroniche della cellulosa e dell'etere di cellulosa prodotti con il processo standard, è facile scoprire che i due hanno caratteristiche morfologiche simili.Il gran numero di particelle in entrambe le immagini mostra strutture tipicamente lunghe e sottili, suggerendo che le caratteristiche morfologiche di base non sono cambiate anche dopo che la reazione chimica ha avuto luogo.È chiaro che le caratteristiche morfologiche delle particelle dei prodotti di reazione sono altamente correlate con le materie prime.

Si è riscontrato che le caratteristiche morfologiche dell'etere di cellulosa prodotto dal nuovo processo sono significativamente diverse, ha un DIFI di diametro medio maggiore (50,3), e presenta principalmente forme di particelle rotonde corte e spesse, mentre le tipiche particelle sottili e lunghe nelle materie prime cellulosiche Quasi estinto.

Questa figura mostra ancora una volta che la morfologia particellare degli eteri di cellulosa prodotti dal nuovo processo non è più correlata alla morfologia della materia prima cellulosica – il legame tra la morfologia della materia prima e il prodotto finale non esiste più.

4. Effetto della morfologia delle particelle HEMC sulla formazione di grumi non bagnati in GSP

GSP è stato testato in condizioni di applicazione sul campo per verificare che la nostra ipotesi sul meccanismo di funzionamento (che l'utilizzo di un prodotto di etere di cellulosa con un DIFI di diametro medio maggiore (50,3) ridurrebbe l'agglomerazione indesiderata) fosse corretta.In questi esperimenti sono stati utilizzati HEMC con diametri medi DIFI(50,3) compresi tra 37 µm e 52 µm.Al fine di minimizzare l'influenza di fattori diversi dalla morfologia delle particelle, l'intonaco di base in gesso e tutti gli altri additivi sono stati mantenuti inalterati.La viscosità dell'etere di cellulosa è stata mantenuta costante durante la prova (60.000 mPa.s, soluzione acquosa al 2%, misurata con un reometro HAAKE).

Per le prove di applicazione è stato utilizzato uno spruzzatore di gesso disponibile in commercio (PFT G4).Concentrarsi sulla valutazione della formazione di grumi non bagnati di malta di gesso subito dopo l'applicazione al muro.La valutazione dell'agglomerazione in questa fase durante il processo di applicazione dell'intonaco rivelerà al meglio le differenze nelle prestazioni del prodotto.Nel test, i lavoratori esperti hanno valutato la situazione di aggregazione, con 1 come migliore e 6 come peggiore.

I risultati del test mostrano chiaramente la correlazione tra il diametro medio della fibra DIFI (50,3) e il punteggio delle prestazioni di aggregazione.Coerentemente con la nostra ipotesi che i prodotti di etere di cellulosa con DIFI(50,3) più grandi superassero i prodotti DIFI(50,3) più piccoli, il punteggio medio per DIFI(50,3) di 52 µm era 2 (buono), mentre quelli con DIFI( 50,3) di 37µm e 40µm ha segnato 5 (fallimento).

Come previsto, il comportamento di aggregazione nelle applicazioni GSP dipende in modo significativo dal diametro medio DIFI(50,3) dell'etere di cellulosa utilizzato.Inoltre, è stato menzionato nella discussione precedente che tra tutti i parametri morfologici DIFI(50,3) influenzava fortemente il tempo di dissoluzione delle polveri di etere di cellulosa.Ciò conferma che il tempo di dissoluzione dell'etere di cellulosa, che è altamente correlato con la morfologia delle particelle, influisce in ultima analisi sulla formazione di grumi in GSP.Un DIFI più grande (50,3) provoca un tempo di dissoluzione più lungo della polvere, che riduce significativamente la possibilità di agglomerazione.Tuttavia, un tempo di dissoluzione della polvere troppo lungo renderà difficile la completa dissoluzione dell'etere di cellulosa entro il tempo di agitazione dell'apparecchiatura di spruzzatura.

Il nuovo prodotto HEMC con un profilo di dissoluzione ottimizzato grazie a un diametro medio delle fibre più grande DIFI(50,3) non solo ha una migliore bagnatura della polvere di gesso (come visto nella valutazione dell'aggregazione), ma non influisce anche sulle prestazioni di ritenzione idrica di il prodotto.La ritenzione idrica misurata secondo EN 459-2 era indistinguibile dai prodotti HEMC della stessa viscosità con DIFI(50,3) da 37µm a 52µm.Tutte le misurazioni dopo 5 minuti e 60 minuti rientrano nell'intervallo richiesto mostrato nel grafico.

Tuttavia, è stato anche confermato che se DIFI(50,3) diventa troppo grande, le particelle di etere di cellulosa non si dissolveranno più completamente.Questo è stato trovato durante il test di un prodotto DIFI(50,3) di 59 µM.I risultati del test di ritenzione idrica dopo 5 minuti e soprattutto dopo 60 minuti non hanno soddisfatto il minimo richiesto.

5. Sommario

Gli eteri di cellulosa sono additivi importanti nelle formulazioni GSP.Il lavoro di ricerca e sviluppo del prodotto qui esamina la correlazione tra la morfologia delle particelle degli eteri di cellulosa e la formazione di grumi non bagnati (i cosiddetti grumi) quando vengono spruzzati meccanicamente.Si basa sul presupposto del meccanismo di funzionamento che il tempo di dissoluzione della polvere di etere di cellulosa influisce sulla bagnatura della polvere di gesso da parte dell'acqua e quindi sulla formazione di grumi.

Il tempo di dissoluzione dipende dalla morfologia delle particelle dell'etere di cellulosa e può essere ottenuto utilizzando strumenti di analisi delle immagini digitali.In GSP, gli eteri di cellulosa con un diametro medio elevato di DIFI (50,3) hanno caratteristiche di dissoluzione della polvere ottimizzate, consentendo più tempo all'acqua per bagnare completamente le particelle di gesso, consentendo così un'anti-agglomerazione ottimale.Questo tipo di etere di cellulosa viene prodotto utilizzando un nuovo processo di produzione e la sua forma particellare non dipende dalla forma originale della materia prima per la produzione.

Il diametro medio della fibra DIFI (50,3) ha un effetto molto importante sull'aggregazione, che è stato verificato aggiungendo questo prodotto a una base di gesso spruzzata a macchina disponibile in commercio per la spruzzatura in loco.Inoltre, questi test di spruzzo sul campo hanno confermato i nostri risultati di laboratorio: i migliori prodotti di etere di cellulosa con DIFI elevato (50,3) erano completamente solubili entro la finestra temporale dell'agitazione GSP.Pertanto, il prodotto di etere di cellulosa con le migliori proprietà antiagglomeranti dopo aver migliorato la forma delle particelle mantiene ancora le prestazioni originali di ritenzione idrica.