Разработка новых эфиров целлюлозы HEMC для уменьшения агломерации в штукатурках машинного напыления на основе гипса

Разработка новых эфиров целлюлозы HEMC для уменьшения агломерации в штукатурках машинного напыления на основе гипса

Машинно-напыляемая штукатурка (ГШП) на гипсовой основе широко применяется в Западной Европе с 1970-х гг.Появление механического распыления эффективно повысило эффективность оштукатуривания конструкций при одновременном снижении затрат на строительство.С углублением коммерциализации GSP ключевой добавкой стал водорастворимый эфир целлюлозы.Эфир целлюлозы наделяет GSP хорошими водоудерживающими свойствами, что ограничивает поглощение субстратом влаги в штукатурке, тем самым обеспечивая стабильное время схватывания и хорошие механические свойства.Кроме того, специфическая реологическая кривая эфира целлюлозы может улучшить эффект машинного распыления и значительно упростить последующие процессы выравнивания раствора и отделки.

Несмотря на очевидные преимущества простых эфиров целлюлозы в применениях GSP, они также потенциально могут способствовать образованию сухих комков при распылении.Эти несмачиваемые комки также известны как комкование или слеживание, и они могут неблагоприятно повлиять на выравнивание и отделку раствора.Агломерация может снизить эффективность площадки и увеличить стоимость применения высокоэффективных гипсовых изделий.Чтобы лучше понять влияние эфиров целлюлозы на образование комков в GSP, мы провели исследование, чтобы попытаться определить соответствующие параметры продукта, влияющие на их образование.На основании результатов этого исследования мы разработали серию продуктов эфира целлюлозы с пониженной склонностью к агломерации и оценили их практическое применение.

Ключевые слова: эфир целлюлозы;гипсовая штукатурка машинным способом;скорость растворения;морфология частиц

1.Введение

Водорастворимые эфиры целлюлозы успешно используются в гипсовых штукатурках машинного напыления (GSP) для регулирования водопотребления, улучшения водоудерживающей способности и улучшения реологических свойств растворов.Следовательно, это помогает улучшить характеристики мокрого раствора, тем самым обеспечивая необходимую прочность раствора.Благодаря своим коммерчески выгодным и экологически безопасным свойствам сухая смесь GSP за последние 20 лет стала широко используемым строительным материалом для внутренних работ по всей Европе.

Оборудование для смешивания и распыления сухих смесей GSP успешно коммерциализируется уже несколько десятилетий.Хотя некоторые технические характеристики оборудования разных производителей различаются, все имеющиеся в продаже распылительные машины обеспечивают очень ограниченное время перемешивания воды с сухой гипсовой смесью, содержащей эфир целлюлозы.Как правило, весь процесс смешивания занимает всего несколько секунд.После смешивания влажный раствор перекачивается через нагнетательный шланг и распыляется на стену основания.Весь процесс завершается в течение минуты.Однако за такой короткий промежуток времени эфиры целлюлозы необходимо полностью растворить, чтобы полностью проявить свои свойства при применении.Добавление тонкоизмельченных продуктов эфира целлюлозы в рецептуры гипсовых растворов обеспечивает полное растворение в процессе распыления.

Тонкоизмельченный эфир целлюлозы быстро образует консистенцию при контакте с водой во время перемешивания в распылителе.Быстрое повышение вязкости, вызванное растворением эфира целлюлозы, вызывает проблемы с одновременным смачиванием водой частиц гипсового вяжущего материала.Когда вода начинает густеть, она становится менее текучей и не может проникнуть в мелкие поры между частицами гипса.После перекрытия доступа к порам процесс смачивания частиц вяжущего материала водой замедляется.Время перемешивания в распылителе было меньше времени, необходимого для полного смачивания частиц гипса, что приводило к образованию комков сухого порошка в свежем влажном растворе.Как только эти комки образуются, они снижают эффективность рабочих в последующих процессах: выравнивание раствора с комками очень хлопотно и требует больше времени.Даже после того, как раствор схватится, могут появиться первоначально образовавшиеся комки.Например, закрытие комков внутри во время строительства приведет к появлению темных областей на более позднем этапе, которые мы не хотим видеть.

Хотя эфиры целлюлозы уже много лет используются в качестве добавок в ГСП, их влияние на образование несмачиваемых комков до сих пор мало изучено.В этой статье представлен систематический подход, который можно использовать для понимания основной причины агломерации с точки зрения эфира целлюлозы.

2. Причины образования несмачиваемых комков в ГСП

2.1 Смачивание гипсовых штукатурок

На ранних этапах создания исследовательской программы был собран ряд возможных основных причин образования комков в CSP.Затем с помощью компьютерного анализа проблема фокусируется на том, существует ли практическое техническое решение.Благодаря этим работам был предварительно отсеян оптимальный вариант формирования агломератов в ГСП.Как по техническим, так и по коммерческим соображениям технический путь изменения смачиваемости гипсовых частиц обработкой поверхности исключается.С коммерческой точки зрения исключается идея замены существующего оборудования распылительным оборудованием со специально разработанной камерой смешивания, обеспечивающей достаточное перемешивание воды и раствора.

Другим вариантом является использование смачивающих агентов в качестве добавок в рецептурах гипсовой штукатурки, и мы уже получили патент на это.Однако добавление этой добавки неизбежно отрицательно сказывается на удобоукладываемости гипса.Что еще более важно, он изменяет физические свойства раствора, особенно твердость и прочность.Поэтому мы не слишком углублялись в это.Кроме того, считается, что добавление смачивающих агентов может оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду.

Учитывая, что эфир целлюлозы уже входит в состав штукатурки на основе гипса, оптимизация самого эфира целлюлозы становится лучшим решением, которое можно выбрать.В то же время он не должен влиять на водоудерживающие свойства или отрицательно влиять на реологические свойства штукатурки в процессе эксплуатации.На основании выдвинутой ранее гипотезы о том, что образование несмачиваемых порошков в ГСП происходит за счет чрезмерно быстрого увеличения вязкости эфиров целлюлозы после контакта с водой при перемешивании, основной целью нашего исследования стало управление характеристиками растворения эфиров целлюлозы. .

2.2 Время растворения эфира целлюлозы

Простой способ замедлить скорость растворения эфиров целлюлозы — использовать гранулированные продукты.Основным недостатком использования этого подхода в GSP является то, что слишком крупные частицы не растворяются полностью в течение короткого 10-секундного окна перемешивания в распылителе, что приводит к потере водоудерживающей способности.Кроме того, набухание нерастворенного эфира целлюлозы на более позднем этапе приведет к загущению после оштукатуривания и повлияет на эксплуатационные характеристики конструкции, чего мы не хотим видеть.

Другим вариантом снижения скорости растворения эфиров целлюлозы является обратимое сшивание поверхности эфиров целлюлозы глиоксалем.Однако, поскольку реакция сшивания регулируется рН, скорость растворения эфиров целлюлозы сильно зависит от рН окружающего водного раствора.Значение pH системы GSP, смешанной с гашеной известью, очень высокое, и сшивающие связи глиоксаля на поверхности быстро раскрываются после контакта с водой, и вязкость начинает мгновенно расти.Следовательно, такие химические обработки не могут играть роль в регулировании скорости растворения в GSP.

Время растворения эфиров целлюлозы также зависит от морфологии их частиц.Однако этому факту до сих пор не уделялось должного внимания, хотя эффект весьма значителен.Они имеют постоянную линейную скорость растворения [кг/(м2•с)], поэтому их растворение и увеличение вязкости пропорциональны доступной поверхности.Эта скорость может значительно варьироваться при изменении морфологии частиц целлюлозы.В наших расчетах предполагается, что полная вязкость (100%) достигается после 5 секунд перемешивания при перемешивании.

Расчеты различных морфологий частиц показали, что сферические частицы имели вязкость 35% от конечной вязкости за половину времени перемешивания.За тот же период доля стержнеобразных частиц эфира целлюлозы может достигать только 10%.Дискообразные частицы только начали растворяться после2,5 секунды.

Также включены идеальные характеристики растворимости эфиров целлюлозы в GSP.Задержка начального набора вязкости более чем на 4,5 секунды.После этого вязкость быстро увеличивалась, достигая конечной вязкости в течение 5 секунд после перемешивания.В GSP такое продолжительное замедленное время растворения позволяет системе иметь низкую вязкость, а добавленная вода может полностью смачивать частицы гипса и беспрепятственно проникать в поры между частицами.

3. Морфология частиц эфира целлюлозы

3.1 Измерение морфологии частиц

Поскольку форма частиц эфира целлюлозы оказывает такое значительное влияние на растворимость, необходимо сначала определить параметры, характеризующие форму частиц эфира целлюлозы, а затем выявить различия между несмачивающими свойствами. Образование агломератов является особенно важным параметром. .

Мы получили морфологию частиц эфира целлюлозы методом динамического анализа изображений.Морфологию частиц эфиров целлюлозы можно полностью охарактеризовать с помощью цифрового анализатора изображений SYMPATEC (производства Германии) и специального программного обеспечения для анализа.Было обнаружено, что наиболее важными параметрами формы частиц являются средняя длина волокон, выраженная как LEFI(50,3), и средний диаметр, выраженный как DIFI(50,3).Данные о средней длине волокна считаются полной длиной определенной распределенной частицы эфира целлюлозы.

Обычно данные о распределении частиц по размерам, такие как средний диаметр волокна DIFI, можно рассчитать на основе количества частиц (обозначается 0), длины (обозначается 1), площади (обозначается 2) или объема (обозначается 3).Все измерения данных о частицах в этой статье основаны на объеме и поэтому обозначены суффиксом 3.Например, в DIFI(50,3) 3 означает объемное распределение, а 50 означает, что 50% кривой распределения частиц по размерам меньше указанного значения, а остальные 50% больше указанного значения.Данные о форме частиц эфира целлюлозы приведены в микрометрах (мкм).

3.2 Эфир целлюлозы после оптимизации морфологии частиц

Принимая во внимание влияние поверхности частиц, время растворения частиц эфира целлюлозы с стержнеобразной формой частиц сильно зависит от среднего диаметра волокна DIFI (50,3).Исходя из этого предположения, опытно-конструкторские работы по эфирам целлюлозы были направлены на получение продуктов с большим средним диаметром волокон ДИФИ (50,3) для улучшения растворимости порошка.

Однако ожидается, что увеличение средней длины волокна DIFI(50,3) не будет сопровождаться увеличением среднего размера частиц.Совместное увеличение обоих параметров приведет к тому, что частицы будут слишком большими, чтобы полностью раствориться в течение типичного 10-секундного времени перемешивания при механическом распылении.

Следовательно, идеальная гидроксиэтилметилцеллюлоза (HEMC) должна иметь больший средний диаметр волокна DIFI (50,3) при сохранении средней длины волокна LEFI (50,3).Мы используем новый процесс производства эфира целлюлозы для получения улучшенного HEMC.Форма частиц водорастворимого эфира целлюлозы, полученного в ходе этого производственного процесса, полностью отличается от формы частиц целлюлозы, используемой в качестве сырья для производства.Другими словами, производственный процесс позволяет конструкции частиц эфира целлюлозы быть независимой от сырья для его производства.

Три изображения с помощью сканирующего электронного микроскопа: одно из эфира целлюлозы, полученного по стандартному процессу, и одно из эфира целлюлозы, полученного по новому процессу с большим диаметром DIFI (50,3), чем обычные продукты технологического инструмента.Также показана морфология тонкоизмельченной целлюлозы, используемой при производстве этих двух продуктов.

Сравнивая электронные микрофотографии целлюлозы и эфира целлюлозы, полученных стандартным способом, легко обнаружить, что они имеют схожие морфологические характеристики.Большое количество частиц на обоих изображениях имеет типично длинные тонкие структуры, что позволяет предположить, что основные морфологические особенности не изменились даже после того, как произошла химическая реакция.Ясно, что характеристики морфологии частиц продуктов реакции сильно коррелируют с сырьем.

Установлено, что морфологические характеристики эфира целлюлозы, полученного по новому способу, существенно отличаются, он имеет больший средний диаметр DIFI (50,3) и в основном представляет собой округлые короткие и толстые частицы, в то время как типичные тонкие и длинные частицы в целлюлозном сырье Почти исчезли.

Этот рисунок еще раз показывает, что морфология частиц эфиров целлюлозы, полученных с помощью нового процесса, больше не связана с морфологией целлюлозного сырья — связь между морфологией сырья и конечным продуктом больше не существует.

4. Влияние морфологии частиц HEMC на образование несмачиваемых сгустков в GSP.

GSP был протестирован в полевых условиях, чтобы подтвердить, что наша гипотеза о рабочем механизме (что использование продукта эфира целлюлозы с большим средним диаметром DIFI (50,3) уменьшит нежелательную агломерацию) была верна.В этих экспериментах использовались HEMC со средним диаметром DIFI(50,3) в диапазоне от 37 мкм до 52 мкм.Чтобы свести к минимуму влияние факторов, отличных от морфологии частиц, основу гипсовой штукатурки и все другие добавки оставили без изменений.Вязкость эфира целлюлозы во время испытания поддерживали постоянной (60 000 мПа·с, 2% водный раствор, измерено с помощью реометра HAAKE).

Для распыления в испытаниях по нанесению использовали имеющийся в продаже распылитель гипса (PFT G4).Сосредоточьтесь на оценке образования несмачиваемых комков гипсового раствора сразу после его нанесения на стену.Оценка комкования на этом этапе процесса нанесения штукатурки лучше всего выявит различия в характеристиках продукта.В тесте опытные работники оценили ситуацию с образованием комков: 1 — лучшая, 6 — худшая.

Результаты испытаний ясно показывают корреляцию между средним диаметром волокна DIFI (50,3) и показателем комкования.В соответствии с нашей гипотезой о том, что продукты на основе эфира целлюлозы с большим DIFI(50,3) превосходят по своим характеристикам продукты с меньшим DIFI(50,3), средний балл для DIFI(50,3) размером 52 мкм составил 2 (хорошо), в то время как продукты с DIFI( 50,3) из 37 мкм и 40 мкм получили 5 баллов (отказ).

Как мы и ожидали, комкование в приложениях GSP существенно зависит от среднего диаметра DIFI(50,3) используемого эфира целлюлозы.Более того, в предыдущем обсуждении упоминалось, что среди всех морфологических параметров DIFI(50,3) сильно влиял на время растворения порошков эфира целлюлозы.Это подтверждает, что время растворения эфира целлюлозы, которое сильно коррелирует с морфологией частиц, в конечном итоге влияет на образование комков в GSP.Больший DIFI (50,3) вызывает более длительное время растворения порошка, что значительно снижает вероятность агломерации.Однако слишком длительное время растворения порошка затруднит полное растворение эфира целлюлозы в течение времени перемешивания распылительного оборудования.

Новый продукт HEMC с оптимизированным профилем растворения благодаря большему среднему диаметру волокна DIFI(50,3) не только лучше смачивает гипсовый порошок (что видно при оценке комкования), но и не влияет на водоудерживающую способность гипсового порошка. продукт.Водоудержание, измеренное в соответствии с EN 459-2, было неотличимо от продуктов HEMC той же вязкости с DIFI (50,3) от 37 мкм до 52 мкм.Все измерения через 5 минут и 60 минут находятся в пределах требуемого диапазона, показанного на графике.

Однако было также подтверждено, что если DIFI(50,3) становится слишком большим, частицы эфира целлюлозы больше не будут полностью растворяться.Это было обнаружено при тестировании DIFI(50,3) продукта с концентрацией 59 мкМ.Результаты теста на удержание воды через 5 минут и особенно через 60 минут не соответствуют требуемому минимуму.

5. Резюме

Эфиры целлюлозы являются важными добавками в рецептурах GSP.Исследования и разработка продукта здесь направлены на корреляцию между морфологией частиц эфиров целлюлозы и образованием несмачиваемых комков (так называемое комкование) при механическом распылении.Он основан на предположении о рабочем механизме, согласно которому время растворения порошка эфира целлюлозы влияет на смачивание гипсового порошка водой и, таким образом, влияет на образование комков.

Время растворения зависит от морфологии частиц эфира целлюлозы и может быть получено с помощью инструментов анализа цифровых изображений.В GSP простые эфиры целлюлозы с большим средним диаметром DIFI (50,3) имеют оптимизированные характеристики растворения порошка, что дает воде больше времени для тщательного смачивания частиц гипса, что обеспечивает оптимальную защиту от агломерации.Этот тип эфира целлюлозы производится с использованием нового производственного процесса, и форма его частиц не зависит от исходной формы сырья для производства.

Средний диаметр волокна DIFI (50,3) оказывает очень важное влияние на комкование, что было подтверждено добавлением этого продукта к имеющейся в продаже гипсовой основе машинного напыления для распыления на месте.Кроме того, эти полевые испытания опрыскивания подтвердили наши лабораторные результаты: самые эффективные продукты эфира целлюлозы с большим DIFI (50,3) были полностью растворимы во временном интервале перемешивания GSP.Таким образом, продукт на основе эфира целлюлозы с лучшими свойствами против слеживания после улучшения формы частиц по-прежнему сохраняет первоначальную водоудерживающую способность.