إيثر السليلوز في المنتجات القائمة على الأسمنت

إيثر السليلوز هو نوع من المواد المضافة متعددة الأغراض التي يمكن استخدامها في منتجات الأسمنت. يقدم هذا البحث الخواص الكيميائية لميثيل السليلوز (MC) وهيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز (HPMC/) الشائع الاستخدام في منتجات الأسمنت، وطريقة ومبدأ المحلول الصافي والخصائص الرئيسية للمحلول. تمت مناقشة انخفاض درجة حرارة الهلام الحراري واللزوجة في منتجات الأسمنت بناءً على الخبرة العملية في الإنتاج.

الكلمات الرئيسية:الأثير السليلوز. ميثيل السليلوز.هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز; درجة حرارة الجل الساخن؛ اللزوجة

1. نظرة عامة

يتكون إيثر السليلوز (CE للاختصار) من السليلوز من خلال تفاعل الأثير لواحد أو أكثر من عوامل الأثير والطحن الجاف. يمكن تقسيم CE إلى أنواع أيونية وغير أيونية، من بينها النوع CE غير الأيوني بسبب خصائصه الفريدة من نوعها في الهلام الحراري وقابليته للذوبان، ومقاومة الملح، ومقاومة الحرارة، وله نشاط سطحي مناسب. يمكن استخدامه كعامل الاحتفاظ بالمياه، وعامل التعليق، والمستحلب، وعامل تشكيل الفيلم، ومواد التشحيم، والمواد اللاصقة ومحسن الريولوجية. مناطق الاستهلاك الأجنبي الرئيسية هي طلاءات اللاتكس ومواد البناء والتنقيب عن النفط وما إلى ذلك. بالمقارنة مع الدول الأجنبية، فإن إنتاج وتطبيق CE القابل للذوبان في الماء لا يزال في مراحله الأولى. مع تحسين صحة الناس والوعي البيئي. CE القابل للذوبان في الماء، وهو غير ضار بعلم وظائف الأعضاء ولا يلوث البيئة، سيكون له تطور كبير.

في مجال مواد البناء، عادة ما يتم اختيار CE وهي ميثيل السليلوز (MC) وهيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز (HPMC)، ويمكن استخدامها كالطلاء والجص والملاط ومنتجات الأسمنت الملدنات، ولزوجة، وعامل احتجاز الماء، وعامل احتجاز الهواء وعامل التثبيط. يتم استخدام معظم صناعة مواد البناء في درجة الحرارة العادية، باستخدام ظروف مسحوق المزيج الجاف والماء، والتي تتضمن بشكل أقل خصائص الذوبان وخصائص الهلام الساخن الخاصة بـ CE، ولكن في الإنتاج الميكانيكي لمنتجات الأسمنت وظروف درجات الحرارة الخاصة الأخرى، تكون هذه الخصائص سيلعب CE دورًا كاملاً.

2. الخواص الكيميائية للCE

يتم الحصول على CE عن طريق معالجة السليلوز من خلال سلسلة من الطرق الكيميائية والفيزيائية. وفقًا لهيكل الاستبدال الكيميائي المختلف، يمكن تقسيمه عادةً إلى: MC، HPMC، هيدروكسي إيثيل السليلوز (HEC)، إلخ.: كل CE لديه البنية الأساسية للسليلوز - الجلوكوز المجفف. في عملية إنتاج CE، يتم تسخين ألياف السليلوز أولاً في محلول قلوي ثم يتم معالجتها بعوامل الأثير. تتم تنقية منتجات التفاعل الليفي وسحقها لتكوين مسحوق موحد بدرجة نقاوة معينة.

تستخدم عملية إنتاج MC فقط كلوريد الميثان كعامل أثير. بالإضافة إلى استخدام كلوريد الميثان، يستخدم إنتاج HPMC أيضًا أكسيد البروبيلين للحصول على مجموعات بدائل الهيدروكسي بروبيل. لدى CE المختلفة معدلات استبدال ميثيل وهيدروكسي بروبيل مختلفة، مما يؤثر على التوافق العضوي ودرجة حرارة الهلام الحراري لمحلول CE.

يمكن التعبير عن عدد مجموعات الاستبدال الموجودة على الوحدات الهيكلية للجلوكوز المجفف من السليلوز بنسبة الكتلة أو متوسط ​​عدد مجموعات الاستبدال (على سبيل المثال، DS - درجة الاستبدال). يحدد عدد المجموعات البديلة خصائص منتجات CE. تأثير متوسط ​​درجة الاستبدال على ذوبان منتجات الأثير هو كما يلي:

(1) درجة إحلال منخفضة قابلة للذوبان في الغسول؛

(2) درجة عالية قليلا من الاستبدال للذوبان في الماء؛

(3) درجة عالية من الاستبدال المذاب في المذيبات العضوية القطبية؛

(4) درجة أعلى من الاستبدال المذاب في المذيبات العضوية غير القطبية.

3. طريقة حل CE

يتمتع CE بخاصية ذوبان فريدة من نوعها، فعندما ترتفع درجة الحرارة إلى درجة حرارة معينة، يكون غير قابل للذوبان في الماء، ولكن تحت درجة الحرارة هذه، ستزداد قابلية ذوبانه مع انخفاض درجة الحرارة. CE قابل للذوبان في الماء البارد (وفي بعض الحالات في مذيبات عضوية معينة) من خلال عملية التورم والترطيب. لا تحتوي محاليل CE على قيود الذوبان الواضحة التي تظهر في ذوبان الأملاح الأيونية. يقتصر تركيز CE عمومًا على اللزوجة التي يمكن التحكم فيها بواسطة معدات الإنتاج، ويختلف أيضًا وفقًا لللزوجة والتنوع الكيميائي الذي يطلبه المستخدم. يكون تركيز المحلول ذو اللزوجة المنخفضة CE بشكل عام 10٪ ~ 15٪، ويقتصر اللزوجة العالية CE بشكل عام على 2٪ ~ 3٪. يمكن أن تؤثر الأنواع المختلفة من CE (مثل المسحوق أو المسحوق المعالج سطحيًا أو الحبيبي) على كيفية تحضير المحلول.

3.1 م بدون معالجة السطح

على الرغم من أن CE قابل للذوبان في الماء البارد، إلا أنه يجب أن يكون مشتتًا بالكامل في الماء لتجنب التكتل. في بعض الحالات، يمكن استخدام خلاط أو قمع عالي السرعة في الماء البارد لتفريق مسحوق CE. ومع ذلك، إذا تمت إضافة المسحوق غير المعالج مباشرة إلى الماء البارد دون التحريك بشكل كافٍ، فسوف تتشكل كتل كبيرة. السبب الرئيسي للتكتل هو أن جزيئات مسحوق CE ليست مبللة تمامًا. عندما يذوب جزء فقط من المسحوق، سيتم تشكيل طبقة هلامية، مما يمنع المسحوق المتبقي من الاستمرار في الذوبان. لذلك، قبل الذوبان، يجب أن تكون جزيئات CE مشتتة بالكامل قدر الإمكان. يتم استخدام طريقتي التشتت التاليتين بشكل شائع.

3.1.1 طريقة تشتيت المزيج الجاف

هذه الطريقة هي الأكثر استخدامًا في منتجات الأسمنت. قبل إضافة الماء، قم بخلط مسحوق آخر مع مسحوق CE بالتساوي، بحيث يتم تشتيت جزيئات مسحوق CE. الحد الأدنى لنسبة الخلط: مسحوق آخر: مسحوق CE = (3 ~ 7): 1.

في هذه الطريقة، يتم الانتهاء من تشتيت CE في الحالة الجافة، باستخدام مسحوق آخر كوسيط لتفريق جزيئات CE مع بعضها البعض، وذلك لتجنب الترابط المتبادل لجزيئات CE عند إضافة الماء والتأثير على المزيد من الذوبان. ولذلك، ليس هناك حاجة إلى الماء الساخن للتشتت، ولكن معدل الذوبان يعتمد على جزيئات المسحوق وظروف التحريك.

3.1.2 طريقة تشتيت الماء الساخن

(1) أول 1/5 ~ 1/3 من تسخين المياه المطلوبة إلى 90 درجة مئوية أعلاه، أضف CE، ثم حرك حتى تتشتت جميع الجزيئات مبللة، ثم يضاف الماء المتبقي في الماء البارد أو المثلج لتقليل درجة حرارة الماء. الحل، بمجرد الوصول إلى درجة حرارة الذوبان CE، يبدأ المسحوق في الترطيب، وتزداد اللزوجة.

(2) يمكنك أيضًا تسخين كل الماء، ثم إضافة CE للتحريك أثناء التبريد حتى يكتمل الترطيب. يعد التبريد الكافي مهمًا جدًا للترطيب الكامل لـ CE وتكوين اللزوجة. للحصول على لزوجة مثالية، يجب تبريد محلول MC إلى 0~5°C، في حين يحتاج HPMC فقط إلى التبريد إلى 20~25°C أو أقل. نظرًا لأن الترطيب الكامل يتطلب تبريدًا كافيًا، فإن حلول HPMC تُستخدم بشكل شائع حيث لا يمكن استخدام الماء البارد: وفقًا للمعلومات، فإن HPMC لديه خفض أقل في درجة الحرارة من MC في درجات حرارة منخفضة لتحقيق نفس اللزوجة. ومن الجدير بالذكر أن طريقة تشتت الماء الساخن فقط تجعل جزيئات CE تتشتت بالتساوي عند درجة حرارة أعلى، ولكن لا يتم تشكيل أي حل في هذا الوقت. للحصول على محلول ذو لزوجة معينة، يجب تبريده مرة أخرى.

3.2 مسحوق CE القابل للتشتت المعالج سطحيًا

في كثير من الحالات، يُطلب من CE أن يتمتع بخصائص الترطيب السريع والتشتت (تكوين اللزوجة) في الماء البارد. إن CE المعالج بالسطح غير قابل للذوبان مؤقتًا في الماء البارد بعد معالجة كيميائية خاصة، مما يضمن أنه عند إضافة CE إلى الماء، فإنه لن يشكل لزوجة واضحة على الفور ويمكن تفريقه تحت ظروف قوة القص الصغيرة نسبيًا. "وقت التأخير" لتكوين الماء أو اللزوجة هو نتيجة الجمع بين درجة المعالجة السطحية ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة للنظام وتركيز محلول CE. يتم تقليل تأخير الترطيب عمومًا عند التركيزات الأعلى ودرجات الحرارة ومستويات الأس الهيدروجيني. بشكل عام، ومع ذلك، لا يتم أخذ تركيز CE في الاعتبار حتى يصل إلى 5٪ (نسبة كتلة الماء).

للحصول على أفضل النتائج والترطيب الكامل، يجب تقليب CE المعالج بالسطح لبضع دقائق تحت ظروف محايدة، مع نطاق الأس الهيدروجيني من 8.5 إلى 9.0، حتى يتم الوصول إلى الحد الأقصى من اللزوجة (عادةً 10-30 دقيقة). بمجرد تغير الرقم الهيدروجيني إلى الأساسي (الرقم الهيدروجيني 8.5 إلى 9.0)، يذوب CE المعالج بالسطح بشكل كامل وسريع، ويمكن أن يكون المحلول مستقرًا عند الرقم الهيدروجيني 3 إلى 11. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن ضبط الرقم الهيدروجيني لملاط عالي التركيز سوف يتسبب في أن تكون اللزوجة عالية جدًا بحيث لا يمكن ضخها وصبها. يجب تعديل الرقم الهيدروجيني بعد تخفيف الملاط إلى التركيز المطلوب.

لتلخيص ذلك، تتضمن عملية إذابة CE عمليتين: التشتت الفيزيائي والذوبان الكيميائي. المفتاح هو تفريق جزيئات CE مع بعضها البعض قبل الذوبان، لتجنب التكتل بسبب اللزوجة العالية أثناء الذوبان في درجة حرارة منخفضة، مما سيؤثر على المزيد من الذوبان.

4. خصائص محلول CE

سوف تتبلور أنواع مختلفة من المحاليل المائية CE عند درجات حرارة محددة. الجل قابل للعكس تمامًا ويشكل محلولًا عند تبريده مرة أخرى. يعتبر الجيل الحراري العكسي لـ CE فريدًا من نوعه. في العديد من منتجات الأسمنت، الاستخدام الرئيسي لزوجة CE وخصائص احتباس الماء والتشحيم المقابلة، واللزوجة ودرجة حرارة الهلام لها علاقة مباشرة، تحت درجة حرارة الهلام، كلما انخفضت درجة الحرارة، زادت لزوجة CE، كلما كان أداء الاحتفاظ بالمياه أفضل.

التفسير الحالي لظاهرة الهلام هو: في عملية الذوبان، يكون الأمر مشابهًا

تتواصل جزيئات البوليمر الموجودة في الخيط مع الطبقة الجزيئية للماء، مما يؤدي إلى التورم. تعمل جزيئات الماء مثل زيت التشحيم، الذي يمكنه تفكيك سلاسل طويلة من جزيئات البوليمر، بحيث يتمتع المحلول بخصائص السائل اللزج الذي يسهل التخلص منه. عندما ترتفع درجة حرارة المحلول، يفقد بوليمر السليلوز الماء تدريجياً وتقل لزوجة المحلول. عند الوصول إلى نقطة الهلام، يصبح البوليمر مجففًا تمامًا، مما يؤدي إلى الارتباط بين البوليمرات وتكوين الهلام: تستمر قوة الهلام في الزيادة مع بقاء درجة الحرارة أعلى من نقطة الهلام.

عندما يبرد المحلول، يبدأ الجل بالعكس وتقل اللزوجة. وأخيرًا، تعود لزوجة محلول التبريد إلى منحنى ارتفاع درجة الحرارة الأولي وتزداد مع انخفاض درجة الحرارة. قد يتم تبريد المحلول إلى قيمة اللزوجة الأولية. لذلك، فإن عملية الجل الحراري لـ CE قابلة للعكس.

إن الدور الرئيسي لـ CE في منتجات الأسمنت هو كعامل لزوجة وملدنات وعامل الاحتفاظ بالماء، لذلك أصبحت كيفية التحكم في اللزوجة ودرجة حرارة الهلام عاملاً مهمًا في منتجات الأسمنت التي تستخدم عادةً نقطة درجة حرارة الهلام الأولية أسفل قسم من المنحنى، لذلك كلما انخفضت درجة الحرارة، زادت اللزوجة، وكان تأثير احتباس الماء في مادة اللزوجة أكثر وضوحًا. تظهر نتائج اختبار خط إنتاج لوح الأسمنت البثق أيضًا أنه كلما انخفضت درجة حرارة المادة تحت نفس محتوى CE، كلما كان تأثير اللزوجة واحتباس الماء أفضل. نظرًا لأن نظام الأسمنت عبارة عن نظام خصائص فيزيائية وكيميائية معقد للغاية، فهناك العديد من العوامل التي تؤثر على تغيير درجة حرارة هلام CE ولزوجته. وتأثير مختلف اتجاهات ودرجات Taianin ليس هو نفسه، لذلك وجد التطبيق العملي أيضًا أنه بعد خلط نظام الأسمنت، فإن نقطة درجة حرارة الهلام الفعلية لـ CE (أي، انخفاض تأثير احتباس الغراء والماء واضح جدًا في درجة الحرارة هذه ) أقل من درجة حرارة الهلام التي يشير إليها المنتج، لذلك يجب مراعاة العوامل المسببة لانخفاض درجة حرارة الهلام عند اختيار منتجات CE. فيما يلي العوامل الرئيسية التي نعتقد أنها تؤثر على اللزوجة ودرجة حرارة هلام محلول CE في منتجات الأسمنت.

4.1 تأثير قيمة الرقم الهيدروجيني على اللزوجة

MC وHPMC غير أيونية، لذا فإن لزوجة المحلول مقارنة بلزوجة الغراء الأيوني الطبيعي لها نطاق أوسع من ثبات DH، ولكن إذا تجاوزت قيمة الرقم الهيدروجيني نطاق 3 ~ 11، فسوف تقلل اللزوجة تدريجيًا عند درجة ارتفاع درجة الحرارة أو تخزينها لفترة طويلة من الزمن، وخاصة المحاليل ذات اللزوجة العالية. تنخفض لزوجة محلول منتج CE في محلول حمض قوي أو محلول قاعدة قوي، والذي يرجع بشكل رئيسي إلى جفاف CE الناتج عن القاعدة والحمض. ولذلك، فإن لزوجة CE عادة تنخفض إلى حد ما في البيئة القلوية لمنتجات الأسمنت.

4.2 تأثير معدل التسخين والتحريك على عملية الهلام

سوف تتأثر درجة حرارة نقطة الهلام بالتأثير المشترك لمعدل التسخين ومعدل القص التحريكي. إن التحريك عالي السرعة والتسخين السريع سوف يزيد بشكل عام من درجة حرارة الهلام بشكل كبير، وهو أمر مناسب لمنتجات الأسمنت التي يتم تشكيلها عن طريق الخلط الميكانيكي.

4.3 تأثير التركيز على الجل الساخن

زيادة تركيز المحلول عادة ما يؤدي إلى خفض درجة حرارة الهلام، وتكون نقاط الهلام ذات اللزوجة المنخفضة CE أعلى من تلك ذات اللزوجة العالية CE. مثل METHOCEL A من DOW

ستنخفض درجة حرارة الجل بمقدار 10 درجات مئوية لكل زيادة بنسبة 2% في تركيز المنتج. زيادة بنسبة 2% في تركيز المنتجات من النوع F سوف تقلل من درجة حرارة الجل بمقدار 4 درجات مئوية.

4.4 تأثير المواد المضافة على التبلور الحراري

في مجال مواد البناء، العديد من المواد عبارة عن أملاح غير عضوية، والتي سيكون لها تأثير كبير على درجة حرارة هلام محلول CE. اعتمادًا على ما إذا كانت المادة المضافة تعمل كعامل تخثر أو إذابة، يمكن لبعض المواد المضافة أن تزيد من درجة حرارة الهلام الحراري لـ CE، بينما يمكن لبعض الإضافات الأخرى تقليل درجة حرارة الهلام الحراري لـ CE: على سبيل المثال، الإيثانول المعزز للمذيبات، PEG-400 (بولي إيثيلين جلايكول) ، الأنيديول، وما إلى ذلك، يمكن أن يزيد من نقطة الهلام. تعمل الأملاح والغليسرين والسوربيتول والمواد الأخرى على تقليل نقطة الهلام، ولن يتم ترسيب CE غير الأيوني بشكل عام بسبب أيونات المعادن متعددة التكافؤ، ولكن عندما يتجاوز تركيز الإلكتروليت أو المواد الذائبة الأخرى حدًا معينًا، يمكن تمليح منتجات CE في الحل، ويرجع ذلك إلى تنافس الإلكتروليتات مع الماء، مما يؤدي إلى تقليل ترطيب CE، ويكون محتوى الملح في محلول منتج CE أعلى بشكل عام قليلاً من محتوى منتج Mc، ويختلف محتوى الملح قليلاً في HPMC مختلفة.

العديد من المكونات في منتجات الأسمنت ستؤدي إلى انخفاض نقطة الهلام لـ CE، لذلك يجب أن يأخذ اختيار المواد المضافة في الاعتبار أن هذا قد يتسبب في تغيرات نقطة الهلام واللزوجة لـ CE.

5.الاستنتاج

(1) إيثر السليلوز هو السليلوز الطبيعي من خلال تفاعل الأثير، ويحتوي على الوحدة الهيكلية الأساسية للجلوكوز المجفف، وفقًا لنوع وعدد المجموعات البديلة في موضع الاستبدال وله خصائص مختلفة. يمكن استخدام الأثير غير الأيوني مثل MC وHPMC كعامل لزوجة، وعامل احتجاز الماء، وعامل احتجاز الهواء وغيرها من المواد المستخدمة على نطاق واسع في منتجات مواد البناء.

(2) CE لديه قابلية ذوبان فريدة، ويشكل المحلول عند درجة حرارة معينة (مثل درجة حرارة الهلام)، ويشكل هلامًا صلبًا أو خليطًا من الجسيمات الصلبة عند درجة حرارة الهلام. طرق الذوبان الرئيسية هي طريقة تشتت الخلط الجاف، وطريقة تشتت الماء الساخن، وما إلى ذلك، في منتجات الأسمنت شائعة الاستخدام هي طريقة تشتت الخلط الجاف. والمفتاح هو تشتيت CE بالتساوي قبل أن يذوب، وتشكيل محلول عند درجات حرارة منخفضة.

(3) سيؤثر تركيز المحلول ودرجة الحرارة وقيمة الرقم الهيدروجيني والخصائص الكيميائية للمواد المضافة ومعدل التحريك على درجة حرارة هلام ولزوجة محلول CE، وخاصة منتجات الأسمنت عبارة عن محاليل ملح غير عضوية في البيئة القلوية، وعادة ما تقلل درجة حرارة هلام ولزوجة محلول CE ، جلب آثار ضارة. لذلك، وفقًا لخصائص CE، أولاً، يجب استخدامه عند درجة حرارة منخفضة (أقل من درجة حرارة الجل)، وثانيًا، يجب أن يؤخذ تأثير المواد المضافة في الاعتبار.