Cellulose-ether in cementgebaseerde producten

Cellulose-ether is een multifunctioneel additief dat kan worden gebruikt in cementproducten. Dit artikel introduceert de chemische eigenschappen van methylcellulose (MC) en hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), die veel worden gebruikt in cementproducten, de methode en het principe van de netto-oplossing en de belangrijkste kenmerken van de oplossing. De verlaging van de thermische geltemperatuur en viscositeit in cementproducten werd besproken op basis van praktische productie-ervaring.

Trefwoorden:cellulose-ether; methylcellulose;Hydroxypropylmethylcellulose; Temperatuur van de hete gel; viscositeit

1. Overzicht

Cellulose-ether (kortweg CE) wordt gemaakt van cellulose door een veretheringsreactie van een of meerdere veretheringsmiddelen en droogmalen. CE kan worden onderverdeeld in ionische en niet-ionische typen, waaronder het niet-ionische type CE vanwege zijn unieke thermische geleigenschappen en oplosbaarheid, zoutbestendigheid, hittebestendigheid en geschikte oppervlakteactiviteit. Het kan worden gebruikt als waterretentiemiddel, suspendeermiddel, emulgator, filmvormend middel, smeermiddel, kleefstof en reologische verbeteraar. De belangrijkste buitenlandse consumptiegebieden zijn latexcoatings, bouwmaterialen, olieboringen, enzovoort. Vergeleken met het buitenland staat de productie en toepassing van in water oplosbaar CE nog in de kinderschoenen. Met de verbetering van de volksgezondheid en het milieubewustzijn zal in water oplosbaar CE, dat onschadelijk is voor de fysiologie en het milieu niet vervuilt, een sterke ontwikkeling doormaken.

In de bouwsector worden meestal CE-materialen gebruikt, zoals methylcellulose (MC) en hydroxypropylmethylcellulose (HPMC). Deze materialen kunnen worden gebruikt als weekmaker, viscositeitsregelaar, waterretentiemiddel, luchtbelvormer en vertragingsmiddel voor verf, pleister, mortel en cementproducten. De meeste bouwmaterialen worden gebruikt bij normale temperaturen, met droog poeder en water als basis. De oploseigenschappen en de hete geleigenschappen van CE spelen hierbij minder een rol. Bij de gemechaniseerde productie van cementproducten en andere speciale temperatuuromstandigheden spelen deze eigenschappen van CE echter een grotere rol.

2. Chemische eigenschappen van CE

CE wordt verkregen door cellulose te behandelen met behulp van een reeks chemische en fysische methoden. Afhankelijk van de verschillende chemische substitutiestructuren kan CE doorgaans worden onderverdeeld in: MC, HPMC, hydroxyethylcellulose (HEC), enz. Elke CE heeft de basisstructuur van cellulose: gedehydrateerde glucose. Tijdens het productieproces van CE worden cellulosevezels eerst verhit in een alkalische oplossing en vervolgens behandeld met veretheringsmiddelen. De vezelachtige reactieproducten worden gezuiverd en verpulverd tot een uniform poeder met een bepaalde fijnheid.

Het productieproces van MC gebruikt alleen methaanchloride als veretheringsmiddel. Naast methaanchloride wordt bij de productie van HPMC ook propyleenoxide gebruikt om hydroxypropylgroepen te verkrijgen. Verschillende CE's hebben verschillende methyl- en hydroxypropylsubstitutiesnelheden, wat de organische compatibiliteit en de thermische geltemperatuur van de CE-oplossing beïnvloedt.

Het aantal substitutiegroepen op de gedehydrateerde glucosestructuureenheden van cellulose kan worden uitgedrukt als het percentage massa of het gemiddelde aantal substitutiegroepen (d.w.z. DS – Substitutiegraad). Het aantal substituentgroepen bepaalt de eigenschappen van CE-producten. Het effect van de gemiddelde substitutiegraad op de oplosbaarheid van veretheringsproducten is als volgt:

(1) lage substitutiegraad, oplosbaar in loog;

(2) licht hoge mate van substitutie, oplosbaar in water;

(3) hoge mate van substitutie opgelost in polaire organische oplosmiddelen;

(4) Hogere substitutiegraad opgelost in niet-polaire organische oplosmiddelen.

3. Oplossingsmethode van CE

CE heeft een unieke oplosbaarheidseigenschap: wanneer de temperatuur tot een bepaalde temperatuur stijgt, is het onoplosbaar in water, maar onder deze temperatuur neemt de oplosbaarheid toe met de temperatuurdaling. CE is oplosbaar in koud water (en in sommige gevallen in specifieke organische oplosmiddelen) door het proces van zwelling en hydratatie. CE-oplossingen hebben niet de voor de hand liggende oplosbaarheidsbeperkingen die optreden bij het oplossen van ionische zouten. De concentratie van CE is over het algemeen beperkt tot de viscositeit die kan worden geregeld door de productieapparatuur en varieert ook afhankelijk van de viscositeit en de chemische variëteit die de gebruiker nodig heeft. De oplossingsconcentratie van CE met lage viscositeit is over het algemeen 10% ~ 15%, en CE met hoge viscositeit is over het algemeen beperkt tot 2% ~ 3%. Verschillende soorten CE (zoals poeder of oppervlaktebehandeld poeder of korrelig) kunnen van invloed zijn op de bereiding van de oplossing.

3.1 CE zonder oppervlaktebehandeling

Hoewel CE oplosbaar is in koud water, moet het volledig in water worden gedispergeerd om klontering te voorkomen. In sommige gevallen kan een hogesnelheidsmixer of trechter in koud water worden gebruikt om CE-poeder te dispergeren. Als het onbehandelde poeder echter direct aan koud water wordt toegevoegd zonder voldoende te roeren, zullen er aanzienlijke klonten ontstaan. De belangrijkste reden voor klontering is dat de CE-poederdeeltjes niet volledig nat zijn. Wanneer slechts een deel van het poeder is opgelost, vormt zich een gelfilm die voorkomt dat het resterende poeder verder oplost. Daarom moeten de CE-deeltjes vóór het oplossen zo volledig mogelijk worden gedispergeerd. De volgende twee dispersiemethoden worden vaak gebruikt.

3.1.1 Droge mix-dispersiemethode

Deze methode wordt het meest gebruikt in cementproducten. Meng vóór het toevoegen van water het andere poeder gelijkmatig met het CE-poeder, zodat de CE-poederdeeltjes goed verdeeld zijn. Minimale mengverhouding: Ander poeder: CE-poeder = (3 ~ 7) : 1.

Bij deze methode wordt de CE-dispersie in droge toestand uitgevoerd, waarbij een ander poeder als medium wordt gebruikt om de CE-deeltjes met elkaar te dispergeren. Dit voorkomt dat de CE-deeltjes zich bij het toevoegen van water aan elkaar hechten en de verdere oplossing beïnvloeden. Daarom is er geen heet water nodig voor de dispersie, maar de oplossnelheid is afhankelijk van de poederdeeltjes en de roeromstandigheden.

3.1.2 Methode voor het verspreiden van heet water

(1) Verwarm de eerste 1/5~1/3 van het benodigde water tot 90C of hoger, voeg CE toe en roer tot alle deeltjes nat zijn geworden. Voeg vervolgens het resterende water in koud of ijswater toe om de temperatuur van de oplossing te verlagen. Zodra de CE-oplossingstemperatuur is bereikt, begint het poeder te hydrateren en neemt de viscositeit toe.

(2) Je kunt ook al het water verwarmen en vervolgens CE toevoegen om te roeren terwijl je afkoelt tot de hydratatie voltooid is. Voldoende koeling is erg belangrijk voor volledige hydratatie van CE en de vorming van viscositeit. Voor een ideale viscositeit moet de MC-oplossing worden gekoeld tot 0~5℃, terwijl HPMC slechts hoeft te worden gekoeld tot 20~25℃ of lager. Omdat volledige hydratatie voldoende koeling vereist, worden HPMC-oplossingen vaak gebruikt waar koud water niet kan worden gebruikt: volgens de informatie heeft HPMC minder temperatuurverlaging dan MC bij lagere temperaturen om dezelfde viscositeit te bereiken. Het is vermeldenswaard dat de heetwaterdispersiemethode er alleen voor zorgt dat CE-deeltjes gelijkmatig dispergeren bij een hogere temperatuur, maar dat er op dat moment geen oplossing wordt gevormd. Om een ​​oplossing met een bepaalde viscositeit te verkrijgen, moet deze opnieuw worden gekoeld.

3.2 Oppervlaktebehandeld dispergeerbaar CE-poeder

In veel gevallen moet CE zowel dispergeerbare als snelle hydratatie (viscositeitsvorming) eigenschappen hebben in koud water. Oppervlaktebehandeld CE is tijdelijk onoplosbaar in koud water na een speciale chemische behandeling. Dit zorgt ervoor dat CE, wanneer het aan water wordt toegevoegd, niet direct een duidelijke viscositeitsvorming vertoont en kan worden gedispergeerd onder relatief lage schuifkrachten. De "vertragingstijd" van hydratatie of viscositeitsvorming is het resultaat van de combinatie van de mate van oppervlaktebehandeling, de temperatuur, de pH-waarde van het systeem en de concentratie van de CE-oplossing. De hydratatievertraging neemt over het algemeen af ​​bij hogere concentraties, temperaturen en pH-waarden. Over het algemeen wordt de concentratie CE echter pas in aanmerking genomen wanneer deze 5% (de massaverhouding van water) bereikt.

Voor het beste resultaat en volledige hydratatie moet de oppervlaktebehandelde CE enkele minuten onder neutrale omstandigheden worden geroerd, met een pH-waarde tussen 8,5 en 9,0, totdat de maximale viscositeit is bereikt (meestal 10-30 minuten). Zodra de pH-waarde verandert naar basisch (pH 8,5 tot 9,0), lost de oppervlaktebehandelde CE volledig en snel op en kan de oplossing stabiel zijn bij pH 3 tot 11. Het is echter belangrijk om te weten dat het aanpassen van de pH van een slurry met een hoge concentratie de viscositeit te hoog maakt om te pompen en te gieten. De pH moet worden aangepast nadat de slurry is verdund tot de gewenste concentratie.

Kortom, het oplossingsproces van CE omvat twee processen: fysieke dispersie en chemische dispersie. De sleutel is om CE-deeltjes vóór het oplossen met elkaar te dispergeren, om agglomeratie door de hoge viscositeit tijdens het oplossen bij lage temperaturen te voorkomen, wat verdere oplosbaarheid zou beïnvloeden.

4. Eigenschappen van CE-oplossing

Verschillende soorten waterige CE-oplossingen zullen bij hun specifieke temperaturen geleren. De gel is volledig reversibel en vormt een oplossing wanneer deze opnieuw wordt afgekoeld. De reversibele thermische gelering van CE is uniek. In veel cementproducten is de viscositeit van CE en de bijbehorende waterretentie- en smeereigenschappen, en de viscositeit en geltemperatuur, direct gerelateerd aan elkaar. Onder de geltemperatuur geldt: hoe lager de temperatuur, hoe hoger de viscositeit van CE, hoe beter de waterretentie.

De huidige verklaring voor het gelfenomeen is deze: in het proces van oplossen is dit vergelijkbaar

De polymeermoleculen van de draad verbinden zich met de watermoleculaire laag, wat resulteert in zwelling. Watermoleculen werken als smeerolie, die lange ketens van polymeermoleculen uit elkaar kan trekken, waardoor de oplossing de eigenschappen krijgt van een viskeuze vloeistof die gemakkelijk te lozen is. Wanneer de temperatuur van de oplossing stijgt, verliest het cellulosepolymeer geleidelijk water en neemt de viscositeit van de oplossing af. Wanneer het gelpunt is bereikt, raakt het polymeer volledig gedehydrateerd, wat resulteert in de binding tussen de polymeren en de vorming van de gel: de sterkte van de gel blijft toenemen naarmate de temperatuur boven het gelpunt blijft.

Naarmate de oplossing afkoelt, begint de gel te draaien en neemt de viscositeit af. Uiteindelijk keert de viscositeit van de koeloplossing terug naar de initiële temperatuurstijgingscurve en neemt toe met de temperatuurdaling. De oplossing kan worden afgekoeld tot de initiële viscositeitswaarde. Het thermische gelproces van CE is daarom omkeerbaar.

De belangrijkste rol van CE in cementproducten is als viscositeitsregelaar, weekmaker en waterretentiemiddel. Het beheersen van de viscositeit en geltemperatuur is daarom een ​​belangrijke factor geworden. Cementproducten gebruiken meestal een initiële geltemperatuur onder een deel van de curve. Hoe lager de temperatuur, hoe hoger de viscositeit, hoe duidelijker het effect van waterretentie van de viscositeitsregelaar. De testresultaten van de productielijn voor extrusiecementplaten tonen ook aan dat hoe lager de materiaaltemperatuur is bij hetzelfde CE-gehalte, hoe beter het viscosificatie- en waterretentie-effect is. Omdat cementsystemen een uiterst complex fysisch en chemisch eigenschappensysteem zijn, zijn er veel factoren die de verandering van de CE-geltemperatuur en -viscositeit beïnvloeden. Bovendien zijn de invloeden van verschillende Taianin-trends en -graden niet hetzelfde. Uit de praktische toepassing bleek dan ook dat na het mengen van het cementsysteem het werkelijke geltemperatuurpunt van CE (dat wil zeggen dat de afname van het lijm- en waterretentie-effect bij deze temperatuur zeer duidelijk is) lager ligt dan de geltemperatuur die door het product wordt aangegeven. Daarom moet bij de selectie van CE-producten rekening worden gehouden met de factoren die de daling van de geltemperatuur veroorzaken. Wij denken dat de belangrijkste factoren de viscositeit en geltemperatuur van CE-oplossing in cementproducten beïnvloeden.

4.1 Invloed van de pH-waarde op de viscositeit

MC en HPMC zijn niet-ionisch, waardoor de viscositeit van de oplossing een breder DH-stabiliteitsbereik heeft dan die van natuurlijk ionische lijm. Als de pH-waarde echter hoger is dan 3 ~ 11, zal de viscositeit geleidelijk afnemen bij hogere temperaturen of langdurige opslag, met name in oplossingen met een hoge viscositeit. De viscositeit van CE-productoplossingen neemt af in oplossingen met een sterk zuur of een sterke base, voornamelijk door de uitdroging van CE door base en zuur. Daarom neemt de viscositeit van CE meestal in zekere mate af in de alkalische omgeving van cementproducten.

4.2 Invloed van verwarmingssnelheid en roeren op het gelproces

De gelpunttemperatuur wordt beïnvloed door het gecombineerde effect van de verwarmingssnelheid en de roersnelheid. Roeren op hoge snelheid en snelle verhitting verhogen de geltemperatuur over het algemeen aanzienlijk, wat gunstig is voor cementproducten die door mechanisch mengen worden gevormd.

4.3 Invloed van concentratie op hete gel

Door de concentratie van de oplossing te verhogen, wordt de geltemperatuur meestal verlaagd, en de gelpunten van CE met lage viscositeit zijn hoger dan die van CE met hoge viscositeit. Zoals DOW's METHOCEL A.

De geltemperatuur wordt met 10 °C verlaagd voor elke 2% toename van de productconcentratie. Een 2% toename van de concentratie van F-type producten verlaagt de geltemperatuur met 4 °C.

4.4 Invloed van additieven op thermische gelering

Op het gebied van bouwmaterialen zijn veel materialen anorganische zouten, die een aanzienlijke invloed hebben op de geltemperatuur van CE-oplossing. Afhankelijk van of het additief als coagulant of solubilisator werkt, kunnen sommige additieven de thermische geltemperatuur van CE verhogen, terwijl andere de thermische geltemperatuur van CE kunnen verlagen: bijvoorbeeld oplosmiddelversterkende ethanol, PEG-400 (polyethyleenglycol), anediol, enz., kunnen het gelpunt verhogen. Zouten, glycerine, sorbitol en andere stoffen verlagen het gelpunt. Niet-ionische CE zal over het algemeen niet neerslaan vanwege polyvalente metaalionen, maar wanneer de elektrolytconcentratie of andere opgeloste stoffen een bepaalde limiet overschrijden, kunnen CE-producten in oplossing uitzouten. Dit komt door de concurrentie van elektrolyten met water, wat resulteert in een verminderde hydratatie van CE. Het zoutgehalte van de oplossing van het CE-product is over het algemeen iets hoger dan dat van het Mc-product, en het zoutgehalte verschilt enigszins in verschillende HPMC's.

Veel ingrediënten in cementproducten zorgen ervoor dat het gelpunt van CE daalt. Daarom moet er bij de selectie van additieven rekening mee worden gehouden dat dit veranderingen in het gelpunt en de viscositeit van CE kan veroorzaken.

5. Conclusie

(1) Cellulose-ether is een natuurlijke cellulose die ontstaat door een veretheringsreactie. Het heeft de basisstructuureenheid van gedehydrateerde glucose, afhankelijk van het type en aantal substituentgroepen op de vervangingspositie, en heeft verschillende eigenschappen. De niet-ionische ether, zoals MC en HPMC, kan worden gebruikt als viscositeitsregelaar, waterretentiemiddel, luchtbelvormer en andere veelgebruikte ethers in bouwmaterialen.

(2) CE heeft een unieke oplosbaarheid, waardoor het bij een bepaalde temperatuur (zoals de geltemperatuur) een oplossing vormt en bij de geltemperatuur een vaste gel of een mengsel van vaste deeltjes vormt. De belangrijkste oplosmethoden zijn de droge mengdispersiemethode, de heetwaterdispersiemethode, enz. In cementproducten wordt de droge mengdispersiemethode vaak gebruikt. De sleutel is om CE gelijkmatig te dispergeren voordat het oplost, zodat bij lage temperaturen een oplossing ontstaat.

(3) De concentratie, temperatuur, pH-waarde, chemische eigenschappen van additieven en de roersnelheid van de oplossing beïnvloeden de geltemperatuur en viscositeit van de CE-oplossing. Cementproducten zijn met name anorganische zoutoplossingen in een alkalische omgeving. Deze verlagen doorgaans de geltemperatuur en viscositeit van de CE-oplossing, wat nadelige effecten met zich meebrengt. Daarom moet CE, gezien de kenmerken ervan, ten eerste bij een lage temperatuur (onder de geltemperatuur) worden gebruikt en ten tweede rekening worden gehouden met de invloed van additieven.