Celulozni eter v izdelkih na osnovi cementa

Celulozni eter je vrsta večnamenskega dodatka, ki se lahko uporablja v cementnih izdelkih. Ta članek predstavlja kemijske lastnosti metilceluloze (MC) in hidroksipropilmetilceluloze (HPMC), ki se pogosto uporabljata v cementnih izdelkih, metodo in načelo neto raztopine ter glavne značilnosti raztopine. Znižanje temperature termičnega gela in viskoznosti v cementnih izdelkih je bilo obravnavano na podlagi praktičnih proizvodnih izkušenj.

Ključne besede:celulozni eter; metilceluloza;Hidroksipropil metilcelulozaTemperatura vročega gela; viskoznost

1. Pregled

Celulozni eter (skrajšano CE) nastane iz celuloze z eterifikacijsko reakcijo enega ali več eterificirajočih sredstev in suhim mletjem. CE lahko razdelimo na ionske in neionske tipe, med katerimi je neionski tip CE zaradi svojih edinstvenih termičnih gelskih lastnosti in topnosti, odpornosti na sol, toplotno odpornost in ustrezne površinske aktivnosti. Uporablja se lahko kot sredstvo za zadrževanje vode, suspenzijsko sredstvo, emulgator, sredstvo za tvorbo filma, mazivo, lepilo in reološko sredstvo. Glavna področja tuje potrošnje so lateks premazi, gradbeni materiali, vrtanje nafte in tako naprej. V primerjavi s tujino je proizvodnja in uporaba vodotopnega CE še vedno v povojih. Z izboljšanjem zdravja ljudi in okoljske ozaveščenosti bo vodotopni CE, ki je neškodljiv za fiziologijo in ne onesnažuje okolja, doživel velik razvoj.

Na področju gradbenih materialov se običajno uporablja metilceluloza (MC) in hidroksipropilmetilceluloza (HPMC), ki se lahko uporabljata kot mehčalo, viskozifikator, sredstvo za zadrževanje vode, sredstvo za vlečenje zraka in zaviralec vezanja v barvah, ometih, maltah in cementnih izdelkih. Večina gradbenih materialov se uporablja pri normalni temperaturi, pri pogojih suhe mešanice v prahu in vodi, manj pa pri lastnostih raztapljanja in vročega gela pri CE, vendar bodo te lastnosti CE imele bolj polno vlogo pri mehanizirani proizvodnji cementnih izdelkov in drugih posebnih temperaturnih pogojih.

2. Kemijske lastnosti CE

CE se pridobiva z obdelavo celuloze z vrsto kemičnih in fizikalnih metod. Glede na različno kemijsko substitucijsko strukturo ga običajno lahko razdelimo na: MC, HPMC, hidroksietilcelulozo (HEC) itd. Vsak CE ima osnovno strukturo celuloze – dehidrirano glukozo. V procesu proizvodnje CE se celulozna vlakna najprej segrejejo v alkalni raztopini in nato obdelajo z eterifikacijskimi sredstvi. Vlaknasti reakcijski produkti se prečistijo in zmeljejo v enakomeren prah določene finosti.

Proizvodni proces MC uporablja samo metan klorid kot eterifikacijsko sredstvo. Poleg uporabe metan klorida se pri proizvodnji HPMC uporablja tudi propilen oksid za pridobivanje hidroksipropilnih substituentnih skupin. Različni CE imajo različne stopnje substitucije z metilom in hidroksipropilom, kar vpliva na organsko združljivost in temperaturo termičnega gela raztopine CE.

Število substitucijskih skupin na dehidriranih glukoznih strukturnih enotah celuloze lahko izrazimo z masnim odstotkom ali povprečnim številom substitucijskih skupin (tj. DS – stopnja substitucije). Število substitucijskih skupin določa lastnosti produktov CE. Vpliv povprečne stopnje substitucije na topnost produktov eterifikacije je naslednji:

(1) nizka stopnja substitucije, topna v lugu;

(2) nekoliko visoka stopnja substitucije, topna v vodi;

(3) visoka stopnja substitucije, raztopljena v polarnih organskih topilih;

(4) Višja stopnja substitucije, raztopljena v nepolarnih organskih topilih.

3. Metoda raztapljanja CE

CE ima edinstveno topnost. Ko temperatura naraste do določene temperature, ni topen v vodi, pod to temperaturo pa se njegova topnost povečuje z zniževanjem temperature. CE je topen v hladni vodi (in v nekaterih primerih v specifičnih organskih topilih) zaradi procesa nabrekanja in hidracije. Raztopine CE nimajo očitnih omejitev topnosti, ki se pojavljajo pri raztapljanju ionskih soli. Koncentracija CE je običajno omejena na viskoznost, ki jo lahko nadzoruje proizvodna oprema, in se spreminja tudi glede na viskoznost in kemijsko sestavo, ki jo zahteva uporabnik. Koncentracija raztopine CE z nizko viskoznostjo je običajno 10 % ~ 15 %, CE z visoko viskoznostjo pa je običajno omejena na 2 % ~ 3 %. Različne vrste CE (kot so prah, površinsko obdelan prah ali granule) lahko vplivajo na način priprave raztopine.

3.1 CE brez površinske obdelave

Čeprav je CE topen v hladni vodi, ga je treba v vodi popolnoma dispergirati, da se prepreči zgrudvanje. V nekaterih primerih se za disperzijo prahu CE lahko v hladni vodi uporabi visokohitrostni mešalnik ali lij. Če pa se neobdelan prah doda neposredno v hladno vodo brez zadostnega mešanja, se bodo oblikovale precejšnje grudice. Glavni razlog za strjevanje je, da delci prahu CE niso popolnoma mokri. Ko se raztopi le del prahu, se tvori gel film, ki preprečuje nadaljnje raztapljanje preostalega prahu. Zato je treba delce CE pred raztapljanjem čim bolj popolnoma dispergirati. Običajno se uporabljata naslednji dve metodi disperzije.

3.1.1 Metoda disperzije suhe mešanice

Ta metoda se najpogosteje uporablja pri cementnih izdelkih. Pred dodajanjem vode enakomerno zmešajte drug prah s CE prahom, da se delci CE prahu razpršijo. Najmanjše razmerje mešanja: drug prah : CE prah = (3 ~ 7) : 1.

Pri tej metodi se disperzija CE izvede v suhem stanju, pri čemer se kot medij za disperzijo delcev CE uporabi drug prašek, da se prepreči medsebojno vezanje delcev CE pri dodajanju vode in nadaljnje raztapljanje. Zato za disperzijo ni potrebna vroča voda, vendar je hitrost raztapljanja odvisna od delcev praška in pogojev mešanja.

3.1.2 Metoda disperzije z vročo vodo

(1) Prvih 1/5 ~ 1/3 potrebne količine vode segrejemo na 90 °C in več, dodamo CE in mešamo, dokler se vsi delci ne dispergirajo v mokro obliko, nato pa preostalo vodo dodamo v hladno ali ledeno vodo, da znižamo temperaturo raztopine. Ko dosežemo temperaturo raztapljanja CE, se prašek začne hidrirati in viskoznost se poveča.

(2) Lahko tudi segrejete vso vodo in nato dodate CE ter med ohlajanjem mešate, dokler hidracija ni končana. Zadostno ohlajanje je zelo pomembno za popolno hidracijo CE in nastanek viskoznosti. Za idealno viskoznost je treba raztopino MC ohladiti na 0–5 ℃, medtem ko je treba HPMC ohladiti le na 20–25 ℃ ali manj. Ker popolna hidracija zahteva zadostno ohlajanje, se raztopine HPMC pogosto uporabljajo tam, kjer ni mogoče uporabiti hladne vode: glede na informacije ima HPMC pri nižjih temperaturah manjše znižanje temperature kot MC za doseganje enake viskoznosti. Omeniti velja, da metoda disperzije z vročo vodo enakomerno dispergira delce CE le pri višji temperaturi, vendar v tem času ne nastane raztopina. Da bi dobili raztopino z določeno viskoznostjo, jo je treba ponovno ohladiti.

3.2 Površinsko obdelan disperzibilni CE prah

V mnogih primerih mora imeti CE tako disperzibilne kot tudi hitro hidratacijske (nastajanje viskoznosti) lastnosti v hladni vodi. Površinsko obdelan CE je po posebni kemični obdelavi začasno netopen v hladni vodi, kar zagotavlja, da CE, ko ga dodamo vodi, ne bo takoj tvoril očitne viskoznosti in se lahko dispergira pod relativno majhnimi strižnimi silami. "Čas zakasnitve" hidratacije ali nastajanja viskoznosti je rezultat kombinacije stopnje površinske obdelave, temperature, pH sistema in koncentracije raztopine CE. Zakasnitev hidratacije se običajno zmanjša pri višjih koncentracijah, temperaturah in pH vrednostih. Na splošno pa se koncentracija CE ne upošteva, dokler ne doseže 5 % (masno razmerje vode).

Za najboljše rezultate in popolno hidratacijo je treba površinsko obdelano CE mešati nekaj minut v nevtralnih pogojih, pri pH vrednosti od 8,5 do 9,0, dokler ni dosežena maksimalna viskoznost (običajno 10–30 minut). Ko se pH spremeni v bazično (pH od 8,5 do 9,0), se površinsko obdelana CE popolnoma in hitro raztopi, raztopina pa je lahko stabilna pri pH vrednosti od 3 do 11. Vendar je pomembno upoštevati, da bo prilagoditev pH-ja visoko koncentrirane suspenzije povzročila, da bo viskoznost previsoka za črpanje in vlivanje. pH je treba prilagoditi po tem, ko je suspenzija razredčena na želeno koncentracijo.

Če povzamemo, postopek raztapljanja CE vključuje dva procesa: fizično disperzijo in kemično raztapljanje. Ključno je, da se delci CE pred raztapljanjem med seboj dispergirajo, da se prepreči aglomeracija zaradi visoke viskoznosti med raztapljanjem pri nizki temperaturi, kar bi vplivalo na nadaljnje raztapljanje.

4. Lastnosti CE raztopine

Različne vrste vodnih raztopin CE se pri specifičnih temperaturah želirajo. Gel je popolnoma reverzibilen in po ohladitvi tvori raztopino. Reverzibilna termična želiranost CE je edinstvena. Pri mnogih cementnih izdelkih se viskoznost CE uporablja predvsem za zadrževanje vode in mazalne lastnosti, viskoznost in temperatura gela pa sta neposredno povezani. Pri temperaturi gela velja, da nižja kot je temperatura, višja kot je viskoznost CE, boljša je ustrezna sposobnost zadrževanja vode.

Trenutna razlaga za pojav gela je naslednja: v procesu raztapljanja je to podobno

Polimerne molekule niti se povežejo z molekularno plastjo vode, kar povzroči nabrekanje. Molekule vode delujejo kot mazalno olje, ki lahko raztrga dolge verige polimernih molekul, tako da ima raztopina lastnosti viskozne tekočine, ki jo je enostavno odvreči. Ko se temperatura raztopine poveča, celulozni polimer postopoma izgublja vodo in viskoznost raztopine se zmanjša. Ko je dosežena točka geliranja, polimer popolnoma dehidrira, kar povzroči povezavo med polimeri in nastanek gela: trdnost gela se še naprej povečuje, ko temperatura ostane nad točko geliranja.

Ko se raztopina ohladi, se gel začne obračati in viskoznost se zmanjšuje. Končno se viskoznost hladilne raztopine vrne na začetno krivuljo naraščanja temperature in se povečuje z zniževanjem temperature. Raztopino lahko ohladimo na začetno vrednost viskoznosti. Zato je proces termičnega geliranja CE reverzibilen.

Glavna vloga CE v cementnih izdelkih je viskozifikator, mehčalec in sredstvo za zadrževanje vode, zato je nadzor viskoznosti in temperature gela postal pomemben dejavnik pri cementnih izdelkih, pri čemer se začetna temperatura gela običajno določi pod določenim odsekom krivulje. Nižja kot je temperatura in višja je viskoznost, bolj očiten je učinek zadrževanja vode viskozifikatorja. Rezultati preskusov proizvodne linije ekstrudiranih cementnih plošč kažejo tudi, da nižja kot je temperatura materiala pri enaki vsebnosti CE, boljši je učinek viskozifikacije in zadrževanja vode. Ker je cementni sistem izjemno kompleksen sistem fizikalnih in kemijskih lastnosti, obstaja veliko dejavnikov, ki vplivajo na spremembo temperature in viskoznosti gela CE. Vpliv različnih trendov in stopenj Taianina ni enak, zato je praktična uporaba pokazala tudi, da je po mešanju cementnega sistema dejanska temperatura gela CE (torej zmanjšanje učinka lepila in zadrževanja vode pri tej temperaturi zelo očitno) nižja od temperature gela, ki jo navaja izdelek, zato je treba pri izbiri izdelkov CE upoštevati dejavnike, ki povzročajo znižanje temperature gela. Sledijo glavni dejavniki, za katere menimo, da vplivajo na viskoznost in temperaturo gela raztopine CE v cementnih izdelkih.

4.1 Vpliv pH vrednosti na viskoznost

MC in HPMC sta neionska, zato imata viskoznost raztopine širši razpon stabilnosti DH kot viskoznost naravnega ionskega lepila, če pa vrednost pH preseže razpon od 3 do 11, se bo viskoznost postopoma zmanjševala pri višji temperaturi ali pri dolgotrajnem skladiščenju, zlasti pri raztopinah z visoko viskoznostjo. Viskoznost raztopine CE produkta se zmanjša v močni kislini ali močni bazi, kar je predvsem posledica dehidracije CE, ki jo povzročata baza in kislina. Zato se viskoznost CE v alkalnem okolju cementnih izdelkov običajno do neke mere zmanjša.

4.2 Vpliv hitrosti segrevanja in mešanja na postopek geliranja

Na temperaturo točke geliranja vpliva kombinirani učinek hitrosti segrevanja in strižne hitrosti mešanja. Mešanje z veliko hitrostjo in hitro segrevanje običajno znatno zvišata temperaturo gela, kar je ugodno za cementne izdelke, ki nastanejo z mehanskim mešanjem.

4.3 Vpliv koncentracije na vroč gel

Povečanje koncentracije raztopine običajno zniža temperaturo gela, gelne točke CE z nizko viskoznostjo pa so višje od tistih pri CE z visoko viskoznostjo. Na primer DOW-ov METHOCEL A

Temperatura gela se bo znižala za 10 ℃ za vsakih 2 % povečanje koncentracije produkta. 2 % povečanje koncentracije produktov tipa F bo znižalo temperaturo gela za 4 ℃.

4.4 Vpliv dodatkov na termično želiranje

Na področju gradbenih materialov so mnogi materiali anorganske soli, ki pomembno vplivajo na temperaturo gela raztopine CE. Glede na to, ali dodatek deluje kot koagulant ali solubilizator, lahko nekateri dodatki zvišajo temperaturo gela CE, drugi pa jo znižajo: na primer etanol, ki izboljšuje topila, PEG-400 (polietilen glikol), andiol itd., lahko zvišajo točko gela. Soli, glicerin, sorbitol in druge snovi znižajo točko gela, neionski CE se običajno ne obori zaradi polivalentnih kovinskih ionov, ko pa koncentracija elektrolita ali drugih raztopljenih snovi preseže določeno mejo, se lahko produkti CE v raztopini izločijo iz soli. To je posledica konkurence elektrolitov z vodo, kar povzroči zmanjšanje hidratacije CE. Vsebnost soli v raztopini produkta CE je običajno nekoliko višja kot v produktu Mc, vsebnost soli pa se pri različnih HPMC nekoliko razlikuje.

Številne sestavine v cementnih izdelkih bodo znižale točko geliranja CE, zato je treba pri izbiri dodatkov upoštevati, da lahko to povzroči spremembe točke geliranja in viskoznosti CE.

5. Zaključek

(1) Celulozni eter je naravna celuloza, pridobljena z reakcijo eterifikacije, katere osnovna strukturna enota je dehidrirana glukoza, ki ima glede na vrsto in število substituentnih skupin na svojem nadomestnem položaju različne lastnosti. Neionski etri, kot sta MC in HPMC, se lahko uporabljajo kot viskozifikatorji, sredstva za zadrževanje vode, sredstva za vezavo zraka in drugi, ki se pogosto uporabljajo v gradbenih materialih.

(2) CE ima edinstveno topnost, saj pri določeni temperaturi (kot je temperatura gela) tvori raztopino, pri temperaturi gela pa trdni gel ali mešanico trdnih delcev. Glavne metode raztapljanja so metoda suhega mešanja in disperzije, metoda disperzije z vročo vodo itd. Pri cementnih izdelkih se pogosto uporablja metoda suhega mešanja in disperzije. Ključno je, da se CE enakomerno dispergira, preden se raztopi, in pri nizkih temperaturah tvori raztopina.

(3) Koncentracija raztopine, temperatura, pH vrednost, kemijske lastnosti dodatkov in hitrost mešanja vplivajo na temperaturo gela in viskoznost raztopine CE, zlasti cementni izdelki, ki so anorganske raztopine soli v alkalnem okolju, običajno znižajo temperaturo gela in viskoznost raztopine CE, kar povzroča neželene učinke. Zato je treba glede na značilnosti CE najprej uporabljati pri nizki temperaturi (pod temperaturo gela) in nato upoštevati vpliv dodatkov.