אתר תאית במוצרים מבוססי צמנט

אתר תאית הוא סוג של תוסף רב תכליתי שניתן להשתמש בו במוצרי מלט. מאמר זה מציג את התכונות הכימיות של מתיל תאית (MC) והידרוקסיפרופיל מתיל תאית (HPMC) הנפוצות במוצרי מלט, את השיטה והעיקרון של התמיסה הנקי ואת המאפיינים העיקריים של התמיסה. הירידה בטמפרטורת הג'ל התרמי ובצמיגותו במוצרי מלט נדונה על סמך ניסיון מעשי בייצור.

מילות מפתח:אתר תאית; מתיל תאית;הידרוקסיפרופיל מתיל תאיתטמפרטורת ג'ל חם; צמיגות

1. סקירה כללית

אתר תאית (CE בקיצור) מיוצר מתאית באמצעות תגובת אתריפיקציה של חומר אתריפיקציה אחד או יותר וטחינה יבשה. ניתן לחלק את CE לסוגים יוניים ולא יוניים, ביניהם CE מסוג לא יוני בשל מאפייני הג'ל התרמי הייחודיים שלו ומסיסותו, עמידותו למלחים, עמידותו בחום ובעל פעילות פני שטח מתאימה. ניתן להשתמש בו כחומר אגירת מים, חומר השעיה, מתחלב, חומר יצירת שכבות, חומר סיכה, דבק ומשפר ריאולוגיה. אזורי הצריכה העיקריים בחו"ל הם ציפויי לטקס, חומרי בניין, קידוחי נפט וכן הלאה. בהשוואה למדינות זרות, ייצור ויישום של CE מסיס במים עדיין בחיתוליו. עם שיפור בריאותם של אנשים ומודעותם הסביבתית, CE מסיס במים, שאינו מזיק לפיזיולוגיה ואינו מזהם את הסביבה, יתפתח רבות.

בתחום חומרי הבניין, בדרך כלל נבחרים מתיל תאית (MC) והידרוקספרופיל מתיל תאית (HPMC) כמרכיבים CE, אשר יכולים לשמש כפלסטייזר, צמיג, חומר אגירת מים, חומר סחיטת אוויר וחומר מעכב צבע, טיח ומוצרי מלט. רוב תעשיית חומרי הבניין משתמשת בטמפרטורה רגילה, בתנאי השימוש הם תערובת יבשה של אבקה ומים, כאשר מאפייני ההמסה והג'ל החם של CE פחות כרוכים, אך בייצור ממוכן של מוצרי מלט ובתנאי טמפרטורה מיוחדים אחרים, מאפיינים אלו של CE ישחקו תפקיד מלא יותר.

2. תכונות כימיות של CE

CE מתקבל על ידי טיפול בתאית באמצעות סדרה של שיטות כימיות ופיזיקליות. בהתאם למבנה הכימי השונה, ניתן לחלק אותו בדרך כלל ל: MC, HPMC, הידרוקסיאתיל תאית (HEC) וכו'. לכל CE יש את המבנה הבסיסי של תאית - גלוקוז מיובש. בתהליך ייצור CE, סיבי התאית מחוממים תחילה בתמיסה בסיסית ולאחר מכן מטופלים בחומרי אתריציה. תוצרי התגובה הסיבית מטוהרים ונכתשים ליצירת אבקה אחידה בדרגת דקיקות מסוימת.

תהליך הייצור של MC משתמש רק במתאן כלוריד כחומר אתריפיציה. בנוסף לשימוש במתאן כלוריד, ייצור HPMC משתמש גם בפרופילן אוקסיד כדי להשיג קבוצות תחליפיות הידרוקסיפרופיל. לקבוצות CE שונות יש שיעורי תחליף שונים של מתיל והידרוקסיפרופיל, דבר המשפיע על התאימות האורגנית וטמפרטורת הג'ל התרמי של תמיסת CE.

ניתן לבטא את מספר קבוצות ההחלפה על יחידות המבנה המיובשות של גלוקוז בצלולוז באמצעות אחוז המסה או מספר ממוצע של קבוצות החלפה (כלומר, DS - דרגת החלפה). מספר קבוצות ההחלפה קובע את תכונות תוצרי CE. השפעת דרגת ההחלפה הממוצעת על מסיסות תוצרי אתריפיקציה היא כדלקמן:

(1) דרגת החלפה נמוכה מסיסה בסודה קאוסטית;

(2) דרגת החלפה גבוהה במקצת של מסיסות במים;

(3) דרגת החלפה גבוהה של מומס בממסים אורגניים קוטביים;

(4) דרגת החלפה גבוהה יותר בהמסה בממסים אורגניים לא קוטביים.

3. שיטת המסה של CE

ל-CE תכונת מסיסות ייחודית, כאשר הטמפרטורה עולה לטמפרטורה מסוימת, הוא אינו מסיס במים, אך מתחת לטמפרטורה זו, מסיסותו תגדל עם ירידת הטמפרטורה. CE מסיס במים קרים (ובמקרים מסוימים בממסים אורגניים ספציפיים) באמצעות תהליך של התנפחות והידרציה. לתמיסות CE אין את מגבלות המסיסות הברורות המופיעות בהמסת מלחים יוניים. ריכוז ה-CE מוגבל בדרך כלל לצמיגות שניתן לשלוט בה על ידי ציוד הייצור, וגם משתנה בהתאם לצמיגות ולמגוון הכימי הנדרש על ידי המשתמש. ריכוז התמיסה של CE בצמיגות נמוכה הוא בדרך כלל 10% ~ 15%, ו-CE בצמיגות גבוהה מוגבל בדרך כלל ל-2% ~ 3%. סוגים שונים של CE (כגון אבקה או אבקה שעברה טיפול פני שטח או גרגירים) יכולים להשפיע על אופן הכנת התמיסה.

3.1 CE ללא טיפול פני השטח

למרות ש-CE מסיס במים קרים, יש לפזר אותו לחלוטין במים כדי למנוע היווצרות גושים. במקרים מסוימים, ניתן להשתמש במיקסר או משפך במהירות גבוהה במים קרים כדי לפזר אבקת CE. עם זאת, אם מוסיפים את האבקה הלא מטופלת ישירות למים קרים ללא ערבוב מספק, ייווצרו גושים משמעותיים. הסיבה העיקרית להתגבשות היא שחלקיקי אבקת ה-CE אינם רטובים לחלוטין. כאשר רק חלק מהאבקה מומסת, ייווצר שכבת ג'ל, המונעת מהאבקה הנותרת להמשיך ולהתמוסס. לכן, לפני ההמסה, יש לפזר את חלקיקי ה-CE במלואם ככל האפשר. שתי שיטות הפיזור הבאות נפוצות.

3.1.1 שיטת פיזור תערובת יבשה

שיטה זו נפוצה ביותר במוצרי צמנט. לפני הוספת מים, יש לערבב אבקה אחרת עם אבקת CE באופן שווה, כך שחלקיקי אבקת CE יפוזרו. יחס ערבוב מינימלי: אבקה אחרת: אבקת CE = (3 ~ 7) : 1.

בשיטה זו, פיזור ה-CE מתבצע במצב יבש, תוך שימוש באבקה אחרת כמדיום לפיזור חלקיקי ה-CE זה עם זה, על מנת למנוע התקשרות הדדית של חלקיקי ה-CE בעת הוספת מים ופגיעה בהמסה נוספת. לכן, אין צורך במים חמים לפיזור, אך קצב ההמסה תלוי בחלקיקי האבקה ובתנאי הערבוב.

3.1.2 שיטת פיזור מים חמים

(1) את ה-1/5 ~ 1/3 הראשונים של המים הנדרשים לחימום ל-90 מעלות צלזיוס, הוסיפו CE, ולאחר מכן ערבבו עד שכל החלקיקים מתפזרים. לאחר מכן, הוסיפו את המים הנותרים למים קרים או מים קרים כדי להפחית את טמפרטורת התמיסה. לאחר שהגיעה לטמפרטורת המסה CE, האבקה מתחילה להתייבש והצמיגות עולה.

(2) ניתן גם לחמם את כל המים, ולאחר מכן להוסיף את ה-CE לערבב תוך כדי קירור עד להשלמת ההידרציה. קירור מספיק חשוב מאוד להידרציה מלאה של ה-CE וליצירת צמיגות. לקבלת צמיגות אידיאלית, יש לקרר את תמיסת ה-MC ל-0~5℃, בעוד שאת ה-HPMC יש לקרר רק ל-20~25℃ או פחות. מכיוון שהידרציה מלאה דורשת קירור מספיק, תמיסות HPMC משמשות בדרך כלל במקומות בהם לא ניתן להשתמש במים קרים: על פי המידע, ל-HPMC יש פחות ירידת טמפרטורה מאשר ל-MC בטמפרטורות נמוכות יותר כדי להשיג את אותה צמיגות. ראוי לציין ששיטת פיזור המים החמים גורמת לחלקיקי ה-CE להתפזר באופן שווה רק בטמפרטורה גבוהה יותר, אך לא נוצרת תמיסה בשלב זה. כדי לקבל תמיסה עם צמיגות מסוימת, יש לקרר אותה שוב.

3.2 אבקת CE מתפזרת שעברה טיפול פני שטח

במקרים רבים, נדרש כי חומר ניקוי עתיר-חמצני (CE) יהיה בעל מאפייני פיזור והידרציה מהירה (יצירת צמיגות) במים קרים. CE שעבר טיפול פני השטח אינו מסיס באופן זמני במים קרים לאחר טיפול כימי מיוחד, מה שמבטיח שכאשר מוסיפים CE למים, הוא לא ייצור צמיגות ברורה באופן מיידי וניתן לפזר אותו בתנאי כוח גזירה קטן יחסית. "זמן ההשהיה" של הידרציה או יצירת צמיגות הוא תוצאה של שילוב של מידת טיפול פני השטח, טמפרטורה, רמת החומציות של המערכת וריכוז תמיסת ה-CE. עיכוב ההידרציה מצטמצם בדרך כלל בריכוזים, טמפרטורות ורמות pH גבוהות יותר. עם זאת, באופן כללי, ריכוז ה-CE אינו נלקח בחשבון עד שהוא מגיע ל-5% (יחס המסה של המים).

לקבלת התוצאות הטובות ביותר ולהידרציה מלאה, יש לערבב את ה-CE שטופל על פני השטח במשך מספר דקות בתנאים ניטרליים, כאשר טווח ה-pH הוא בין 8.5 ל-9.0, עד להגעה לצמיגות המקסימלית (בדרך כלל 10-30 דקות). ברגע שה-pH משתנה לבסיסי (pH 8.5 עד 9.0), ה-CE שטופל על פני השטח מתמוסס לחלוטין ובמהירות, והתמיסה יכולה להיות יציבה ב-pH 3 עד 11. עם זאת, חשוב לציין כי התאמת ה-pH של תרחיף בריכוז גבוה תגרום לצמיגות להיות גבוהה מדי לשאיבה ולמזיגה. יש להתאים את ה-pH לאחר דילול התרחיף לריכוז הרצוי.

לסיכום, תהליך ההמסה של CE כולל שני תהליכים: פיזור פיזיקלי והתמוססות כימית. המפתח הוא לפזר חלקיקי CE זה עם זה לפני ההמסה, כדי למנוע הצטברות עקב צמיגות גבוהה במהלך המסה בטמפרטורה נמוכה, אשר תשפיע על המשך ההמסה.

4. תכונות של תמיסת CE

סוגים שונים של תמיסות מימיות של CE יפתחו ג'ל בטמפרטורות הספציפיות שלהם. הג'ל הפיך לחלוטין ויוצר תמיסה כאשר הוא מקורר שוב. הג'לציה התרמית ההפיכה של CE היא ייחודית. במוצרי צמנט רבים, השימוש העיקרי הוא בצמיגות של CE ובתכונות אצירת המים והסיכה המתאימות, והצמיגות וטמפרטורת הג'ל קשורות ישירות. תחת טמפרטורת הג'ל, ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר, כך צמיגות ה-CE גבוהה יותר, כך ביצועי אצירת המים המתאימים טובים יותר.

ההסבר הנוכחי לתופעת הג'ל הוא זה: בתהליך ההמסה, זה דומה

מולקולות הפולימר של החוט מתחברות לשכבת המולקולות של המים, וכתוצאה מכך נוצרת נפיחות. מולקולות המים פועלות כשמן סיכה, שיכול להפריד שרשראות ארוכות של מולקולות פולימר, כך שלתמיסה יש תכונות של נוזל צמיג שקל לפרק. כאשר טמפרטורת התמיסה עולה, פולימר התאית מאבד בהדרגה מים וצמיגות התמיסה יורדת. כאשר מגיעים לנקודת הג'ל, הפולימר מתייבש לחלוטין, וכתוצאה מכך נוצרת הקשר בין הפולימרים להיווצרות הג'ל: חוזק הג'ל ממשיך לעלות ככל שהטמפרטורה נשארת מעל נקודת הג'ל.

כאשר התמיסה מתקררת, הג'ל מתחיל להתהפך והצמיגות שלו יורדת. לבסוף, צמיגות תמיסת הקירור חוזרת לעקומת עליית הטמפרטורה ההתחלתית ועולה עם ירידת הטמפרטורה. ניתן לקרר את התמיסה לערך הצמיגות ההתחלתי שלה. לכן, תהליך הג'ל התרמי של CE הוא הפיך.

התפקיד העיקרי של חומר צמנט (CE) במוצרי צמנט הוא כמגביר צמיגות, פלסטי ומחזיק מים, ולכן אופן השליטה בצמיגות ובטמפרטורת הג'ל הפך לגורם חשוב. מוצרי צמנט משתמשים בדרך כלל בנקודת טמפרטורת הג'ל ההתחלתית מתחת לקטע של העקומה, כך שככל שהטמפרטורה נמוכה יותר, כך הצמיגות גבוהה יותר, כך השפעת שמירת המים של חומר הצמיגות ברורה יותר. תוצאות הבדיקה של קו ייצור לוחות צמנט שחול מראות גם שככל שטמפרטורת החומר נמוכה יותר תחת אותה תכולת CE, כך צמיגות ואגירת המים טובים יותר. מכיוון שמערכת צמנט היא מערכת תכונות פיזיקליות וכימיות מורכבת ביותר, ישנם גורמים רבים המשפיעים על שינוי טמפרטורת וצמיגות ג'ל CE. וההשפעה של מגמות ודרגות שונות של טאיאנין אינה זהה, כך שהיישום המעשי מצא גם שלאחר ערבוב מערכת צמנט, נקודת טמפרטורת הג'ל בפועל של CE (כלומר, הירידה בדבק ובאפקט שמירת המים ניכרת מאוד בטמפרטורה זו) נמוכה יותר מטמפרטורת הג'ל המצוינת על ידי המוצר, לכן, בבחירת מוצרי CE יש לקחת בחשבון את הגורמים הגורמים לירידה בטמפרטורת הג'ל. להלן הגורמים העיקריים שלדעתנו משפיעים על הצמיגות וטמפרטורת הג'ל של תמיסת CE במוצרי צמנט.

4.1 השפעת ערך ה-pH על הצמיגות

MC ו-HPMC הם לא יוניים, ולכן צמיגות התמיסה גבוהה יותר מצמיגות של דבק יוני טבעי, אך אם ערך ה-pH עולה על הטווח של 3 ~ 11, הצמיגות שלהם תפחת בהדרגה בטמפרטורה גבוהה יותר או באחסון למשך זמן ארוך, במיוחד בתמיסה בעלת צמיגות גבוהה. צמיגות תמיסת מוצר CE יורדת בתמיסה חומצה חזקה או בסיס חזק, בעיקר עקב התייבשות של CE הנגרמת על ידי בסיס וחומצה. לכן, צמיגות ה-CE יורדת בדרך כלל במידה מסוימת בסביבה בסיסית של מוצרי צמנט.

4.2 השפעת קצב החימום והערבוב על תהליך הג'ל

טמפרטורת נקודת הג'ל תושפע מההשפעה המשולבת של קצב החימום וקצב הגזירה של הערבוב. ערבוב במהירות גבוהה וחימום מהיר בדרך כלל יעלו את טמפרטורת הג'ל באופן משמעותי, דבר חיובי למוצרי צמנט הנוצרים על ידי ערבוב מכני.

4.3 השפעת הריכוז על ג'ל חם

הגדלת ריכוז התמיסה בדרך כלל מורידה את טמפרטורת הג'ל, ונקודות הג'ל של CE בעל צמיגות נמוכה גבוהות יותר מאלה של CE בעל צמיגות גבוהה. כמו למשל מתוצל A של DOW.

טמפרטורת הג'ל תופחת ב-10 מעלות צלזיוס עבור כל עלייה של 2% בריכוז המוצר. עלייה של 2% בריכוז של מוצרים מסוג F תפחית את טמפרטורת הג'ל ב-4 מעלות צלזיוס.

4.4 השפעת תוספים על ג'לציה תרמית

בתחום חומרי הבניין, חומרים רבים הם מלחים אנאורגניים, אשר ישפיעו באופן משמעותי על טמפרטורת הג'ל של תמיסת CE. בהתאם לשאלה האם התוסף פועל כחומר קרישה או כחומר מסיס, חלק מהתוספים יכולים להעלות את טמפרטורת הג'ל התרמי של CE, בעוד שאחרים יכולים להוריד את טמפרטורת הג'ל התרמי של CE: לדוגמה, אתנול משפר ממס, PEG-400 (פוליאתילן גליקול), אנאדיול וכו', יכולים להעלות את נקודת הג'ל. מלחים, גליצרין, סורביטול וחומרים אחרים יפחיתו את נקודת הג'ל, CE לא יוני בדרך כלל לא ייווצר עקב יוני מתכת רב-ערכיים, אך כאשר ריכוז האלקטרוליטים או חומרים מומסים אחרים עולים על גבול מסוים, מוצרי CE עלולים להמלח בתמיסה, זאת בשל תחרות בין אלקטרוליטים למים, וכתוצאה מכך מפחיתים את הידרציה של CE. תכולת המלח בתמיסת מוצר CE בדרך כלל גבוהה מעט מזו של מוצר Mc, ותכולת המלח שונה במקצת ב-HPMC שונים.

מרכיבים רבים במוצרי צמנט יגרמו לירידה בנקודת הג'ל של צמנט, לכן בבחירת התוספים יש לקחת בחשבון שהדבר עלול לגרום לשינויים בנקודת הג'ל ובצמיגות של צמנט.

5. סיכום

(1) אתר תאית הוא תאית טבעית המיוצרת בתגובת אתריפיקציה, בעלת יחידת מבנה בסיסית של גלוקוז מיובש, בהתאם לסוג ולמספר קבוצות התחליפים בעמדת ההחלפה שלה, ובעלת תכונות שונות. אתר לא יוני כמו MC ו-HPMC יכול לשמש כמגדיל צמיגות, חומר אצירת מים, חומר סחיטת אוויר וחומרים נוספים הנמצאים בשימוש נרחב במוצרי חומרי בניין.

(2) ל-CE יש מסיסות ייחודית, והוא יוצר תמיסה בטמפרטורה מסוימת (כגון טמפרטורת ג'ל), ויוצר ג'ל מוצק או תערובת חלקיקים מוצקים בטמפרטורת הג'ל. שיטות ההמסה העיקריות הן שיטת פיזור ערבוב יבש, שיטת פיזור במים חמים וכו', ובמוצרי צמנט נפוצות היא שיטת פיזור ערבוב יבש. המפתח הוא לפזר את CE באופן שווה לפני שהוא מתמוסס, ויוצר תמיסה בטמפרטורות נמוכות.

(3) ריכוז התמיסה, הטמפרטורה, ערך ה-pH, התכונות הכימיות של התוספים וקצב הערבוב ישפיעו על טמפרטורת הג'ל והצמיגות של תמיסת ה-CE. מוצרי צמנט, במיוחד אלו הם תמיסות מלח אנאורגניות בסביבה בסיסית, בדרך כלל מפחיתות את טמפרטורת הג'ל והצמיגות של תמיסת ה-CE, מה שגורם לתופעות לוואי שליליות. לכן, בהתאם למאפייני ה-CE, ראשית, יש להשתמש בו בטמפרטורה נמוכה (מתחת לטמפרטורת הג'ל), ושנית, יש לקחת בחשבון את השפעת התוספים.