Éter celulózy vo výrobkoch na báze cementu

Éter celulózy je druh viacúčelovej prísady, ktorá sa môže použiť v cementových výrobkoch. Tento článok predstavuje chemické vlastnosti metylcelulózy (MC) a hydroxypropylmetylcelulózy (HPMC/), ktoré sa bežne používajú v cementových výrobkoch, metódu a princíp čistého roztoku a hlavné vlastnosti roztoku. Na základe praktických výrobných skúseností sa diskutovalo o znížení teploty a viskozity tepelného gélu v cementových výrobkoch.

Kľúčové slová:éter celulózy; metylcelulóza;HydroxypropylmetylcelulózaTeplota horúceho gélu; viskozita

1. Prehľad

Éter celulózy (skrátene CE) sa vyrába z celulózy éterifikačnou reakciou jedného alebo viacerých éterifikačných činidiel a suchým mletím. CE možno rozdeliť na iónové a neiónové typy, medzi ktoré patrí neiónový typ CE vďaka svojim jedinečným tepelným gélovým vlastnostiam a rozpustnosti, odolnosti voči soliam, tepelnej odolnosti a vhodnej povrchovej aktivite. Môže sa použiť ako prostriedok na zadržiavanie vody, suspenzný prostriedok, emulgátor, filmotvorný prostriedok, mazivo, lepidlo a reologický prostriedok. Hlavnými oblasťami spotreby v zahraničí sú latexové nátery, stavebné materiály, ropné vrty atď. V porovnaní so zahraničím je výroba a aplikácia vo vode rozpustného CE stále v plienkach. So zlepšením zdravia ľudí a environmentálneho povedomia sa vo vode rozpustný CE, ktorý je fyziologicky neškodný a neznečisťuje životné prostredie, bude výrazne rozvíjať.

V oblasti stavebných materiálov sa zvyčajne volí CE ako metylcelulóza (MC) a hydroxypropylmetylcelulóza (HPMC), ktoré sa môžu použiť ako plastifikátor, viskozifikátor, prostriedok na zadržiavanie vody, prevzdušňovač a spomaľovač tuhnutia farieb, omietok, malt a cementových výrobkov. Väčšina stavebných materiálov sa používa pri normálnej teplote, pričom sa používajú podmienky suchej zmesi prášku a vody, pričom menej sa prejavujú vlastnosti CE rozpúšťania a vlastnosti horúceho gélu, ale pri mechanizovanej výrobe cementových výrobkov a iných špeciálnych teplotných podmienkach zohrávajú tieto vlastnosti CE väčšiu úlohu.

2. Chemické vlastnosti CE

CE sa získava spracovaním celulózy pomocou série chemických a fyzikálnych metód. Podľa rôznych chemických substitučných štruktúr sa zvyčajne delí na: MC, HPMC, hydroxyetylcelulózu (HEC) atď. Každý CE má základnú štruktúru celulózy – dehydratovanú glukózu. V procese výroby CE sa celulózové vlákna najprv zahrejú v alkalickom roztoku a potom sa spracujú éterifikačnými činidlami. Vláknité reakčné produkty sa čistia a rozomelú na jednotný prášok určitej jemnosti.

Výrobný proces MC využíva ako éterifikačné činidlo iba metánchlorid. Okrem použitia metánchloridu sa pri výrobe HPMC používa aj propylénoxid na získanie hydroxypropylových substituentov. Rôzne CE majú rôzne rýchlosti substitúcie metylom a hydroxypropylom, čo ovplyvňuje organickú kompatibilitu a teplotu tepelného gélu roztoku CE.

Počet substitučných skupín na dehydratovaných glukózových štruktúrnych jednotkách celulózy možno vyjadriť hmotnostným percentom alebo priemerným počtom substitučných skupín (t. j. DS – stupeň substitúcie). Počet substitučných skupín určuje vlastnosti produktov CE. Vplyv priemerného stupňa substitúcie na rozpustnosť produktov éterifikácie je nasledovný:

(1) nízky stupeň substitúcie rozpustný v lúhu;

(2) mierne vysoký stupeň substitúcie rozpustný vo vode;

(3) vysoký stupeň substitúcie rozpustený v polárnych organických rozpúšťadlách;

(4) Vyšší stupeň substitúcie rozpustený v nepolárnych organických rozpúšťadlách.

3. Metóda rozpúšťania CE

CE má jedinečnú vlastnosť rozpustnosti. Keď teplota stúpne na určitú teplotu, je nerozpustný vo vode, ale pod touto teplotou sa jeho rozpustnosť zvyšuje so znižujúcou sa teplotou. CE je rozpustný v studenej vode (a v niektorých prípadoch aj v špecifických organických rozpúšťadlách) procesom napučiavania a hydratácie. Roztoky CE nemajú zjavné obmedzenia rozpustnosti, ktoré sa objavujú pri rozpúšťaní iónových solí. Koncentrácia CE je vo všeobecnosti obmedzená viskozitou, ktorú je možné regulovať výrobným zariadením, a tiež sa mení v závislosti od viskozity a chemického zloženia požadovaného používateľom. Koncentrácia roztoku CE s nízkou viskozitou je vo všeobecnosti 10 % ~ 15 % a CE s vysokou viskozitou je vo všeobecnosti obmedzená na 2 % ~ 3 %. Rôzne typy CE (ako napríklad práškový alebo povrchovo upravený prášok alebo granulovaný) môžu ovplyvniť spôsob prípravy roztoku.

3.1 CE bez povrchovej úpravy

Hoci je CE rozpustný v studenej vode, musí byť vo vode úplne dispergovaný, aby sa predišlo zhlukovaniu. V niektorých prípadoch sa na disperziu prášku CE v studenej vode môže použiť vysokorýchlostný mixér alebo lievik. Ak sa však neošetrený prášok pridá priamo do studenej vody bez dostatočného miešania, vytvoria sa značné hrudky. Hlavným dôvodom zhrudkovania je, že častice prášku CE nie sú úplne mokré. Keď sa rozpustí iba časť prášku, vytvorí sa gélový film, ktorý zabráni ďalšiemu rozpúšťaniu zvyšného prášku. Preto by sa pred rozpustením mali častice CE čo najviac dispergovať. Bežne sa používajú nasledujúce dve metódy dispergácie.

3.1.1 Metóda disperzie suchej zmesi

Táto metóda sa najčastejšie používa v cementových výrobkoch. Pred pridaním vody rovnomerne zmiešajte ostatný prášok s práškom CE, aby sa častice prášku CE rozptýlili. Minimálny pomer miešania: Iný prášok : prášok CE = (3 ~ 7) : 1.

Pri tejto metóde sa disperzia CE vykonáva v suchom stave, pričom sa ako médium na dispergovanie častíc CE používa iný prášok, aby sa zabránilo vzájomnému spájaniu častíc CE pri pridávaní vody a ovplyvneniu ďalšieho rozpúšťania. Preto na disperziu nie je potrebná horúca voda, ale rýchlosť rozpúšťania závisí od častíc prášku a podmienok miešania.

3.1.2 Metóda disperzie horúcou vodou

(1) Prvých 1/5 ~ 1/3 požadovaného množstva vody sa zahreje na 90 °C a viac, pridá sa CE a potom sa mieša, kým sa všetky častice nerozptýlia vo vlhkom stave. Zvyšnú vodu pridáme v studenej alebo ľadovej vode, aby sa znížila teplota roztoku. Po dosiahnutí teploty rozpúšťania CE sa prášok začne hydratovať a viskozita sa zvýši.

(2) Môžete tiež zohriať všetku vodu a potom pridať CE za stáleho miešania a chladenia, kým sa hydratácia nedokončí. Dostatočné chladenie je veľmi dôležité pre úplnú hydratáciu CE a vytvorenie viskozity. Pre ideálnu viskozitu by sa mal roztok MC ochladiť na 0 až 5 ℃, zatiaľ čo HPMC stačí ochladiť na 20 až 25 ℃ alebo menej. Keďže úplná hydratácia vyžaduje dostatočné chladenie, roztoky HPMC sa bežne používajú tam, kde nie je možné použiť studenú vodu: podľa informácií má HPMC pri nižších teplotách menší pokles teploty ako MC na dosiahnutie rovnakej viskozity. Stojí za zmienku, že metóda disperzie v horúcej vode spôsobuje rovnomerné rozptýlenie častíc CE iba pri vyššej teplote, ale v tomto čase sa nevytvára žiadny roztok. Na získanie roztoku s určitou viskozitou je potrebné ho opäť ochladiť.

3.2 Dispergovateľný CE prášok s povrchovou úpravou

V mnohých prípadoch sa od CE vyžaduje, aby mal dispergovateľné aj rýchle hydratačné (vytvárajúce viskozitu) vlastnosti v studenej vode. Povrchovo upravený CE je po špeciálnej chemickej úprave dočasne nerozpustný v studenej vode, čo zabezpečuje, že po pridaní CE do vody okamžite nevytvorí zjavnú viskozitu a môže sa dispergovať za podmienok relatívne malej šmykovej sily. „Doba oneskorenia“ hydratácie alebo tvorby viskozity je výsledkom kombinácie stupňa povrchovej úpravy, teploty, pH systému a koncentrácie roztoku CE. Oneskorenie hydratácie sa vo všeobecnosti znižuje pri vyšších koncentráciách, teplotách a úrovniach pH. Vo všeobecnosti sa však koncentrácia CE neberie do úvahy, kým nedosiahne 5 % (hmotnostný pomer vody).

Pre dosiahnutie najlepších výsledkov a úplnej hydratácie by sa mal povrchovo upravený CE miešať niekoľko minút v neutrálnom prostredí s pH v rozmedzí od 8,5 do 9,0, kým sa nedosiahne maximálna viskozita (zvyčajne 10 – 30 minút). Akonáhle sa pH zmení na zásadité (pH 8,5 až 9,0), povrchovo upravený CE sa úplne a rýchlo rozpustí a roztok môže byť stabilný pri pH 3 až 11. Je však dôležité poznamenať, že úprava pH suspenzie s vysokou koncentráciou spôsobí, že viskozita bude príliš vysoká na čerpanie a liatie. Hodnota pH by sa mala upraviť po zriedení suspenzie na požadovanú koncentráciu.

Stručne povedané, proces rozpúšťania CE zahŕňa dva procesy: fyzikálnu disperziu a chemické rozpúšťanie. Kľúčom je dispergovať častice CE navzájom pred rozpúšťaním, aby sa zabránilo aglomerácii v dôsledku vysokej viskozity počas rozpúšťania pri nízkej teplote, čo by ovplyvnilo ďalšie rozpúšťanie.

4. Vlastnosti CE roztoku

Rôzne druhy vodných roztokov CE gélujú pri svojich špecifických teplotách. Gél je úplne reverzibilný a po ochladení vytvorí roztok. Reverzibilná tepelná gélácia CE je jedinečná. V mnohých cementových výrobkoch je hlavným využitím viskozita CE a zodpovedajúce vlastnosti zadržiavania vody a mazania a viskozita a teplota gélu majú priamy vzťah. Pri teplote gélu platí, že čím nižšia je teplota, tým vyššia je viskozita CE, tým lepšia je zodpovedajúca schopnosť zadržiavania vody.

Súčasné vysvetlenie gélového javu je toto: v procese rozpúšťania je to podobné

Polymérne molekuly vlákna sa spájajú s molekulárnou vrstvou vody, čo vedie k napučaniu. Molekuly vody pôsobia ako mazací olej, ktorý dokáže rozdeliť dlhé reťazce polymérnych molekúl, takže roztok má vlastnosti viskóznej kvapaliny, ktorú je ľahké vypustiť. Keď sa teplota roztoku zvýši, celulózový polymér postupne stráca vodu a viskozita roztoku klesá. Keď sa dosiahne bod gélovania, polymér sa úplne dehydratuje, čo vedie k spojeniu polymérov a tvorbe gélu: pevnosť gélu sa naďalej zvyšuje, keď teplota zostáva nad bodom gélovania.

Ako sa roztok ochladzuje, gél sa začína obracať a viskozita klesá. Nakoniec sa viskozita chladiaceho roztoku vráti na pôvodnú krivku nárastu teploty a zvyšuje sa so znižujúcou sa teplotou. Roztok sa môže ochladiť na svoju pôvodnú hodnotu viskozity. Preto je proces tepelného gélovania CE reverzibilný.

Hlavnou úlohou CE v cementových výrobkoch je ako viskozifikátor, zmäkčovadlo a činidlo na zadržiavanie vody, takže spôsob, akým sa reguluje viskozita a teplota gélu, sa stal dôležitým faktorom v cementových výrobkoch, pričom sa jeho počiatočná teplota gélu zvyčajne používa pod časťou krivky, takže čím nižšia je teplota, tým vyššia je viskozita a tým zreteľnejší je účinok zadržiavania vody viskozifikátorom. Výsledky testov na výrobnej linke extrúznych cementových dosiek tiež ukazujú, že čím nižšia je teplota materiálu pri rovnakom obsahu CE, tým lepší je účinok viskozifikácie a zadržiavania vody. Keďže cementový systém je mimoriadne zložitý systém fyzikálnych a chemických vlastností, existuje mnoho faktorov ovplyvňujúcich zmenu teploty a viskozity gélu CE. A vplyv rôznych trendov a stupňov Taianin nie je rovnaký, takže praktická aplikácia tiež zistila, že po zmiešaní cementového systému je skutočný bod teploty gélu CE (t. j. pokles účinku lepidla a zadržiavania vody pri tejto teplote veľmi zreteľný) nižší ako teplota gélu udávaná výrobkom, preto pri výbere výrobkov CE treba zohľadniť faktory spôsobujúce pokles teploty gélu. Nasledujú hlavné faktory, o ktorých si myslíme, že ovplyvňujú viskozitu a teplotu gélu roztoku CE v cementových výrobkoch.

4.1 Vplyv hodnoty pH na viskozitu

MC a HPMC sú neiónové lepidlá, takže viskozita roztoku má širší rozsah stability DH ako viskozita prírodného iónového lepidla, ale ak hodnota pH prekročí rozsah 3 ~ 11, ich viskozita sa pri vyššej teplote alebo pri dlhodobom skladovaní postupne znižuje, najmä pri roztokoch s vysokou viskozitou. Viskozita roztoku CE produktu klesá v silne kyslom alebo silne zásaditom roztoku, čo je spôsobené najmä dehydratáciou CE spôsobenou zásadou a kyselinou. Preto viskozita CE v alkalickom prostredí cementových produktov zvyčajne do určitej miery klesá.

4.2 Vplyv rýchlosti ohrevu a miešania na proces gélovania

Teplota bodu gélovania bude ovplyvnená kombinovaným účinkom rýchlosti ohrevu a šmykovej rýchlosti miešania. Miešanie vysokou rýchlosťou a rýchle zahrievanie vo všeobecnosti výrazne zvýšia teplotu gélu, čo je priaznivé pre cementové výrobky vytvorené mechanickým miešaním.

4.3 Vplyv koncentrácie na horúci gél

Zvýšenie koncentrácie roztoku zvyčajne znižuje teplotu gélu a body gélovania CE s nízkou viskozitou sú vyššie ako u CE s vysokou viskozitou. Napríklad DOW's METHOCEL A

Teplota gélu sa zníži o 10 ℃ pri každom 2% zvýšení koncentrácie produktu. 2% zvýšenie koncentrácie produktov typu F zníži teplotu gélu o 4 ℃.

4.4 Vplyv prísad na tepelnú géláciu

V oblasti stavebných materiálov je veľa materiálov anorganických solí, ktoré majú významný vplyv na teplotu gélu CE roztoku. V závislosti od toho, či prísada pôsobí ako koagulant alebo solubilizačné činidlo, niektoré prísady môžu zvýšiť teplotu gélu CE, zatiaľ čo iné môžu teplotu gélu CE znížiť: napríklad etanol zvyšujúci rozpúšťadlo, PEG-400 (polyetylénglykol), andiol atď. môžu zvýšiť bod gélu. Soli, glycerín, sorbitol a ďalšie látky znižujú bod gélu, neiónové CE sa vo všeobecnosti nezrážajú v dôsledku polyvalentných kovových iónov, ale keď koncentrácia elektrolytu alebo iných rozpustených látok prekročí určitú hranicu, produkty CE sa môžu v roztoku vysoliť. Je to spôsobené konkurenciou elektrolytov s vodou, čo vedie k zníženiu hydratácie CE. Obsah solí v roztoku produktu CE je vo všeobecnosti mierne vyšší ako v produkte Mc a obsah solí sa v rôznych HPMC mierne líši.

Mnohé zložky v cementových výrobkoch spôsobujú pokles bodu gélovania CE, preto by sa pri výbere prísad malo brať do úvahy, že to môže spôsobiť zmeny bodu gélovania a viskozity CE.

5. Záver

(1) Éter celulózy je prírodná celulóza získaná éterifikačnou reakciou, ktorej základná štruktúrna jednotka je dehydrovaná glukóza a v závislosti od typu a počtu substituentov v jej substitučnej polohe má rôzne vlastnosti. Neiónové étery, ako napríklad MC a HPMC, sa môžu používať ako viskozifikátory, retenčné činidlá, prevzdušňovacie činidlá a iné široko používané látky v stavebných materiáloch.

(2) CE má jedinečnú rozpustnosť, pričom pri určitej teplote (napríklad pri teplote gélu) vytvára roztok a pri teplote gélu vytvára pevný gél alebo zmes pevných častíc. Hlavnými metódami rozpúšťania sú metóda suchého miešania a disperzie, metóda disperzie v horúcej vode atď. V cementových výrobkoch sa bežne používa metóda suchého miešania a disperzie. Kľúčom je rovnomerne dispergovať CE pred rozpustením, čím sa pri nízkych teplotách vytvorí roztok.

(3) Koncentrácia roztoku, teplota, hodnota pH, chemické vlastnosti prísad a rýchlosť miešania ovplyvňujú teplotu gélu a viskozitu CE roztoku, najmä cementové výrobky sú roztoky anorganických solí v alkalickom prostredí, ktoré zvyčajne znižujú teplotu gélu a viskozitu CE roztoku, čo má za následok nepriaznivé účinky. Preto by sa CE mal používať pri nízkej teplote (pod teplotou gélu) a mal by sa zohľadniť vplyv prísad.