تطوير إثيرات السليلوز HEMC الجديدة لتقليل التكتل في اللصقات المرشوشة آليًا القائمة على الجبس

تطوير إثيرات السليلوز HEMC الجديدة لتقليل التكتل في اللصقات المرشوشة آليًا القائمة على الجبس

تم استخدام الجبس المرشوش آليًا (GSP) على نطاق واسع في أوروبا الغربية منذ السبعينيات. أدى ظهور الرش الميكانيكي إلى تحسين كفاءة البناء بالتجصيص بشكل فعال مع تقليل تكاليف البناء. مع تعميق تسويق نظام الأفضليات المعمم، أصبح إيثر السليلوز القابل للذوبان في الماء مادة مضافة رئيسية. يمنح إيثر السليلوز نظام GSP أداءً جيدًا في الاحتفاظ بالماء، مما يحد من امتصاص الركيزة للرطوبة في الجص، وبالتالي الحصول على وقت ضبط ثابت وخواص ميكانيكية جيدة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمنحنى الريولوجي المحدد لإيثر السليلوز أن يحسن تأثير الرش الآلي ويبسط بشكل كبير عمليات تسوية الملاط اللاحقة وعمليات التشطيب.

على الرغم من المزايا الواضحة لإثيرات السليلوز في تطبيقات نظام الأفضليات المعمم، إلا أنها يمكن أن تساهم أيضًا في تكوين كتل جافة عند رشها. تُعرف هذه الكتل غير المبللة أيضًا بالتكتل أو التكتل، ويمكن أن تؤثر سلبًا على تسوية الملاط وإنهائه. يمكن أن يؤدي التكتل إلى تقليل كفاءة الموقع وزيادة تكلفة تطبيقات منتجات الجبس عالية الأداء. من أجل فهم أفضل لتأثير إثيرات السليلوز على تكوين الكتل في نظام الأفضليات المعمم، أجرينا دراسة لمحاولة تحديد معلمات المنتج ذات الصلة التي تؤثر على تكوينها. بناءً على نتائج هذه الدراسة، قمنا بتطوير سلسلة من منتجات إيثر السليلوز ذات الميل المنخفض للتكتل وقمنا بتقييمها في التطبيقات العملية.

الكلمات الرئيسية: الأثير السليلوز. الجص آلة رش الجبس. معدل الذوبان مورفولوجيا الجسيمات

1. مقدمة

تم استخدام إثيرات السليلوز القابلة للذوبان في الماء بنجاح في الجبس الذي يتم رشه آليًا (GSP) لتنظيم الطلب على المياه، وتحسين احتباس الماء، وتحسين الخواص الريولوجية للملاط. ولذلك فهو يساعد على تحسين أداء الملاط الرطب، وبالتالي ضمان القوة المطلوبة للملاط. نظرًا لخصائصه المجدية تجاريًا والصديقة للبيئة، فقد أصبح المزيج الجاف GSP مادة بناء داخلية مستخدمة على نطاق واسع في جميع أنحاء أوروبا على مدار العشرين عامًا الماضية.

لقد تم بنجاح تسويق آلات خلط ورش المزيج الجاف بنظام الأفضليات المعمم (GSP) على مدى عقود. على الرغم من اختلاف بعض الميزات التقنية للمعدات من مختلف الشركات المصنعة، فإن جميع آلات الرش المتاحة تجاريًا تسمح بوقت تحريك محدود للغاية لخلط الماء مع ملاط ​​الخلط الجاف المحتوي على السليلوز والجبس. بشكل عام، تستغرق عملية الخلط بأكملها بضع ثوانٍ فقط. بعد الخلط، يتم ضخ الملاط الرطب من خلال خرطوم التوصيل ورشه على جدار الركيزة. يتم الانتهاء من العملية برمتها في غضون دقيقة واحدة. ومع ذلك، في مثل هذه الفترة القصيرة من الزمن، يجب إذابة إثيرات السليلوز بالكامل من أجل تطوير خصائصها بشكل كامل في التطبيق. إن إضافة منتجات إيثر السليلوز المطحون جيدًا إلى تركيبات ملاط ​​الجبس يضمن الذوبان الكامل أثناء عملية الرش هذه.

يقوم إيثر السليلوز المطحون جيدًا ببناء الاتساق بسرعة عند ملامسته للماء أثناء التحريك في البخاخ. يؤدي ارتفاع اللزوجة السريع الناتج عن انحلال أثير السليلوز إلى حدوث مشاكل في ترطيب الماء المتزامن لجزيئات المادة الأسمنتية الجبسية. عندما يبدأ الماء في التكاثف، يصبح أقل سيولة ولا يستطيع اختراق المسام الصغيرة بين جزيئات الجبس. بعد سد الوصول إلى المسام، تتأخر عملية ترطيب جزيئات المادة الأسمنتية بالماء. كان وقت الخلط في الرشاش أقصر من الوقت اللازم لترطيب جزيئات الجبس بالكامل، مما أدى إلى تكوين كتل مسحوق جاف في الملاط الرطب الطازج. بمجرد أن تتشكل هذه الكتل، فإنها تعيق كفاءة العمال في العمليات اللاحقة: تسوية الملاط بالكتل أمر مزعج للغاية ويستغرق وقتًا أطول. حتى بعد تماسك الملاط، قد تظهر الكتل المتكونة في البداية. فمثلاً تغطية التكتلات بالداخل أثناء البناء سيؤدي إلى ظهور مناطق داكنة في مرحلة لاحقة، وهو ما لا نريد رؤيته.

على الرغم من أن إثيرات السليلوز قد استخدمت كمواد مضافة في نظام الأفضليات المعمم لسنوات عديدة، إلا أن تأثيرها على تكوين الكتل غير المبللة لم تتم دراسته كثيرًا حتى الآن. تقدم هذه المقالة نهجا منهجيا يمكن استخدامه لفهم السبب الجذري للتكتل من منظور الأثير السليلوز.

2. أسباب تكوين كتل غير مبللة في نظام الأفضليات المعمم

2.1 ترطيب اللصقات الجصية

في المراحل الأولى من إنشاء برنامج البحث، تم تجميع عدد من الأسباب الجذرية المحتملة لتكوين كتل في محطة الطاقة الشمسية المركزة. بعد ذلك، من خلال التحليل بمساعدة الكمبيوتر، تركز المشكلة على ما إذا كان هناك حل تقني عملي. ومن خلال هذه الأعمال، تم بشكل مبدئي فحص الحل الأمثل لتكوين التكتلات في نظام الأفضليات المعمم. من الاعتبارات الفنية والتجارية، تم استبعاد المسار الفني لتغيير ترطيب جزيئات الجبس عن طريق المعالجة السطحية. من وجهة نظر تجارية، يتم استبعاد فكرة استبدال المعدات الموجودة بمعدات رش مزودة بغرفة خلط مصممة خصيصًا يمكنها ضمان الخلط الكافي للمياه والملاط.

هناك خيار آخر يتمثل في استخدام عوامل الترطيب كإضافات في تركيبات الجبس الجبسي وقد حصلنا على براءة اختراع لهذا بالفعل. ومع ذلك، فإن إضافة هذه المادة المضافة يؤثر حتما سلبا على قابلية تشغيل الجص. والأهم من ذلك أنه يغير الخصائص الفيزيائية للملاط، وخاصة الصلابة والقوة. لذلك لم نتعمق في الأمر. بالإضافة إلى ذلك، يعتبر أيضًا أن إضافة عوامل الترطيب قد يكون لها تأثير سلبي على البيئة.

وبالنظر إلى أن إيثر السليلوز هو بالفعل جزء من تركيبة الجبس القائمة على الجبس، فإن تحسين إيثر السليلوز نفسه يصبح الحل الأفضل الذي يمكن اختياره. وفي الوقت نفسه، يجب ألا يؤثر على خصائص احتجاز الماء أو يؤثر سلبًا على الخصائص الريولوجية للجص المستخدم. استنادًا إلى الفرضية المقترحة سابقًا والتي مفادها أن توليد المساحيق غير المبللة في نظام الأفضليات المعمم يرجع إلى الزيادة السريعة المفرطة في لزوجة إثيرات السليلوز بعد ملامستها للماء أثناء التحريك، أصبح التحكم في خصائص ذوبان إثيرات السليلوز هو الهدف الرئيسي لدراستنا .

2.2 وقت ذوبان الأثير السليلوز

من الطرق السهلة لإبطاء معدل ذوبان إثيرات السليلوز استخدام المنتجات الحبيبية. العيب الرئيسي لاستخدام هذا النهج في نظام الأفضليات المعمم هو أن الجزيئات الخشنة جدًا لا تذوب تمامًا خلال نافذة التقليب القصيرة البالغة 10 ثوانٍ في جهاز الرش، مما يؤدي إلى فقدان احتباس الماء. بالإضافة إلى ذلك، فإن انتفاخ أثير السليلوز غير المذاب في المرحلة اللاحقة سيؤدي إلى سماكة بعد التجصيص ويؤثر على أداء البناء، وهو ما لا نريد رؤيته.

هناك خيار آخر لتقليل معدل ذوبان إثيرات السليلوز وهو الربط العكسي بين سطح إثيرات السليلوز والجليوكسال. ومع ذلك، بما أن تفاعل التشابك يتم التحكم فيه بدرجة الحموضة، فإن معدل ذوبان إثيرات السليلوز يعتمد بشكل كبير على درجة الحموضة للمحلول المائي المحيط. قيمة الرقم الهيدروجيني لنظام الأفضليات المعمم الممزوج بالجير المطفأ عالية جدًا، ويتم فتح روابط الجليوكسال المتقاطعة على السطح بسرعة بعد ملامسة الماء، وتبدأ اللزوجة في الارتفاع على الفور. لذلك، لا يمكن لمثل هذه المعالجات الكيميائية أن تلعب دورًا في التحكم في معدل الذوبان في نظام الأفضليات المعمم.

يعتمد وقت ذوبان إثيرات السليلوز أيضًا على شكل جسيماتها. إلا أن هذه الحقيقة لم تحظ باهتمام كبير حتى الآن، رغم أن تأثيرها كبير للغاية. معدل ذوبان خطي ثابت [كجم/(م2•s)]، وبالتالي فإن انحلالها وتراكم اللزوجة يتناسبان مع السطح المتاح. يمكن أن يختلف هذا المعدل بشكل كبير مع التغيرات في شكل جزيئات السليلوز. من المفترض في حساباتنا أن يتم الوصول إلى اللزوجة الكاملة (100%) بعد 5 ثوانٍ من الخلط.

أظهرت حسابات أشكال الجسيمات المختلفة أن الجسيمات الكروية لها لزوجة تبلغ 35% من اللزوجة النهائية في نصف وقت الخلط. وفي نفس الفترة الزمنية، يمكن أن تصل نسبة جزيئات إيثر السليلوز على شكل قضيب إلى 10% فقط. بدأت الجسيمات على شكل قرص في الذوبان بعد ذلك2.5 ثانية.

كما تم تضمين خصائص الذوبان المثالية لإثيرات السليلوز في نظام الأفضليات المعمم. تأخير تراكم اللزوجة الأولية لأكثر من 4.5 ثانية. بعد ذلك، تزداد اللزوجة بسرعة لتصل إلى اللزوجة النهائية خلال 5 ثوان من وقت الخلط. في نظام الأفضليات المعمم، يسمح وقت الذوبان الطويل المتأخر للنظام بالحصول على لزوجة منخفضة، ويمكن للماء المضاف أن يبلل جزيئات الجبس بالكامل ويدخل المسام بين الجزيئات دون إزعاج.

3. مورفولوجيا الجسيمات من الأثير السليلوز

3.1 قياس مورفولوجيا الجسيمات

نظرًا لأن شكل جزيئات إيثر السليلوز له تأثير كبير على الذوبان، فمن الضروري أولاً تحديد المعلمات التي تصف شكل جزيئات إيثر السليلوز، ومن ثم تحديد الاختلافات بين عدم الترطيب، ويعد تكوين التكتلات معلمة ذات صلة بشكل خاص .

لقد حصلنا على مورفولوجية الجسيمات من الأثير السليلوز بواسطة تقنية تحليل الصور الديناميكية. يمكن وصف مورفولوجيا جسيمات إثيرات السليلوز بشكل كامل باستخدام محلل الصور الرقمي SYMPATEC (المصنوع في ألمانيا) وأدوات تحليل البرامج المحددة. تم العثور على أن أهم معلمات شكل الجسيمات هي متوسط ​​طول الألياف المعبر عنها بـ LEFI (50,3) ومتوسط ​​القطر المعبر عنه بـ DIFI (50,3). تعتبر بيانات متوسط ​​طول الألياف هي الطول الكامل لجسيم أثير السليلوز المنتشر.

عادةً ما يمكن حساب بيانات توزيع حجم الجسيمات مثل متوسط ​​قطر الألياف DIFI بناءً على عدد الجسيمات (المشار إليها بالرمز 0)، أو الطول (المشار إليه بالرمز 1)، أو المساحة (المشار إليها بالرمز 2)، أو الحجم (المشار إليه بالرمز 3). تعتمد جميع قياسات بيانات الجسيمات في هذه الورقة على الحجم، وبالتالي يُشار إليها باللاحقة 3. على سبيل المثال، في DIFI(50,3)، 3 يعني توزيع الحجم، و50 يعني أن 50% من منحنى توزيع حجم الجسيمات أصغر من القيمة المشار إليها، والـ 50% الأخرى أكبر من القيمة المشار إليها. يتم إعطاء بيانات شكل جسيم السليلوز الأثير بالميكرومتر (ميكرومتر).

3.2 إيثر السليلوز بعد تحسين مورفولوجيا الجسيمات

مع الأخذ في الاعتبار تأثير سطح الجسيمات، فإن وقت ذوبان الجسيمات لجزيئات أثير السليلوز ذات شكل جسيم يشبه القضيب يعتمد بشدة على متوسط ​​قطر الألياف DIFI (50,3). بناءً على هذا الافتراض، كان الهدف من أعمال التطوير على إثيرات السليلوز هو الحصول على منتجات ذات قطر ألياف متوسط ​​أكبر (50,3) DIFI لتحسين قابلية ذوبان المسحوق.

ومع ذلك، ليس من المتوقع أن تكون الزيادة في متوسط ​​طول الألياف DIFI(50,3) مصحوبة بزيادة في متوسط ​​حجم الجسيمات. ستؤدي زيادة كلا المعلمتين معًا إلى ظهور جزيئات أكبر من أن تذوب تمامًا خلال وقت التحريك النموذجي الذي يبلغ 10 ثوانٍ للرش الميكانيكي.

لذلك، يجب أن يكون لهيدروكسي إيثيل ميثيل سلولوز (HEMC) المثالي متوسط ​​قطر ألياف أكبر DIFI(50,3) مع الحفاظ على متوسط ​​طول الألياف LEFI(50,3). نحن نستخدم عملية إنتاج إيثر السليلوز الجديدة لإنتاج HEMC محسّن. يختلف شكل جسيمات إيثر السليلوز القابل للذوبان في الماء الذي يتم الحصول عليه من خلال عملية الإنتاج هذه تمامًا عن شكل جسيمات السليلوز المستخدم كمواد خام للإنتاج. بمعنى آخر، تتيح عملية الإنتاج أن يكون تصميم الشكل الجسيمي لإثير السليلوز مستقلاً عن المواد الخام المستخدمة في إنتاجه.

ثلاث صور بالمجهر الإلكتروني الماسح: واحدة من إيثر السليلوز المنتج بواسطة العملية القياسية، وواحدة من إيثر السليلوز المنتجة بواسطة العملية الجديدة بقطر أكبر من DIFI(50,3) مقارنة بمنتجات أدوات العملية التقليدية. يظهر أيضًا شكل السليلوز المطحون جيدًا المستخدم في إنتاج هذين المنتجين.

بمقارنة الصور المجهرية الإلكترونية للسليلوز وإثير السليلوز التي تنتجها العملية القياسية، فمن السهل أن نجد أن الاثنين لهما خصائص مورفولوجية مماثلة. يُظهر العدد الكبير من الجسيمات في كلتا الصورتين هياكل طويلة ورفيعة، مما يشير إلى أن السمات المورفولوجية الأساسية لم تتغير حتى بعد حدوث التفاعل الكيميائي. من الواضح أن خصائص مورفولوجيا الجسيمات لمنتجات التفاعل ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالمواد الخام.

لقد وجد أن الخصائص المورفولوجية لإيثر السليلوز المنتج بواسطة العملية الجديدة تختلف بشكل كبير، فهو يحتوي على متوسط ​​قطر أكبر DIFI (50,3)، ويقدم بشكل أساسي أشكال جسيمات مستديرة قصيرة وسميكة، في حين أن الجسيمات الرفيعة والطويلة النموذجية في المواد الخام السليلوزية انقرضت تقريبا.

يوضح هذا الشكل مرة أخرى أن مورفولوجية جسيمات إيثرات السليلوز التي تنتجها العملية الجديدة لم تعد مرتبطة بمورفولوجية المادة الخام السليلوزية - ولم تعد العلاقة بين مورفولوجية المادة الخام والمنتج النهائي موجودة.

4. تأثير مورفولوجيا جسيمات HEMC على تكوين كتل غير مبللة في نظام الأفضليات المعمم

تم اختبار نظام الأفضليات المعمم في ظل ظروف التطبيق الميداني للتحقق من صحة فرضيتنا حول آلية العمل (أن استخدام منتج إيثر السليلوز بقطر متوسط ​​أكبر DIFI (50،3) من شأنه أن يقلل التكتل غير المرغوب فيه). تم استخدام HEMCs بأقطار متوسطة DIFI (50،3) تتراوح من 37 ميكرومتر إلى 52 ميكرومتر في هذه التجارب. من أجل تقليل تأثير العوامل الأخرى غير شكل الجسيمات، تم الحفاظ على قاعدة الجبس وجميع الإضافات الأخرى دون تغيير. تم الحفاظ على لزوجة إيثر السليلوز ثابتة أثناء الاختبار (60000 مللي باسكال، محلول مائي 2٪، تم قياسه باستخدام مقياس ريومتر HAAKE).

تم استخدام بخاخ الجبس المتوفر تجاريًا (PFT G4) للرش في تجارب التطبيق. ركز على تقييم تكوين كتل غير مبللة من ملاط ​​الجبس مباشرة بعد تطبيقه على الحائط. إن تقييم التكتل في هذه المرحلة طوال عملية تطبيق التجصيص سوف يكشف بشكل أفضل عن الاختلافات في أداء المنتج. في الاختبار، قام العمال ذوو الخبرة بتقييم حالة التكتل، حيث يمثل الرقم 1 الأفضل والرقم 6 هو الأسوأ.

تظهر نتائج الاختبار بوضوح العلاقة بين متوسط ​​قطر الألياف DIFI (50,3) ودرجة أداء التكتل. تمشيًا مع فرضيتنا القائلة بأن منتجات إيثر السليلوز ذات DIFI (50,3) الأكبر حجمًا تفوقت على منتجات DIFI (50,3) الأصغر، فإن متوسط ​​درجة DIFI (50,3) البالغة 52 ميكرومتر كان 2 (جيد)، في حين أن تلك التي تحتوي على DIFI( 50,3) من 37 ميكرومتر و40 ميكرومتر حصلت على 5 (فشل).

كما توقعنا، يعتمد سلوك التكتل في تطبيقات نظام الأفضليات المعمم بشكل كبير على متوسط ​​قطر DIFI(50,3) لإثير السليلوز المستخدم. علاوة على ذلك، فقد ذكر في المناقشة السابقة أنه من بين جميع المعلمات المورفولوجية DIFI (50،3) أثرت بقوة على وقت ذوبان مساحيق الأثير السليلوز. وهذا يؤكد أن وقت ذوبان الأثير السليلوز، والذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بتشكل الجسيمات، يؤثر في النهاية على تكوين الكتل في نظام الأفضليات المعمم. يؤدي DIFI الأكبر (50,3) إلى وقت أطول لذوبان المسحوق، مما يقلل بشكل كبير من فرصة التكتل. ومع ذلك، فإن وقت ذوبان المسحوق الطويل جدًا سيجعل من الصعب على أثير السليلوز أن يذوب تمامًا خلال وقت التحريك لمعدات الرش.

منتج HEMC الجديد ذو ملف تعريف الذوبان الأمثل بسبب متوسط ​​قطر الألياف الأكبر DIFI (50,3) لا يحتوي فقط على ترطيب أفضل لمسحوق الجبس (كما هو موضح في تقييم التكتل)، ولكنه لا يؤثر أيضًا على أداء الاحتفاظ بالمياه المنتج. كان احتباس الماء الذي تم قياسه وفقًا للمعيار EN 459-2 لا يمكن تمييزه عن منتجات HEMC ذات اللزوجة نفسها مع DIFI (50,3) من 37 ميكرومتر إلى 52 ميكرومتر. جميع القياسات بعد 5 دقائق و60 دقيقة تقع ضمن النطاق المطلوب الموضح في الرسم البياني.

ومع ذلك، تم التأكيد أيضًا على أنه إذا أصبح DIFI(50,3) كبيرًا جدًا، فلن تذوب جزيئات إيثر السليلوز تمامًا. تم العثور على هذا عند اختبار DIFI(50,3) لمنتج 59 ميكرومتر. نتائج اختبار احتباس الماء بعد 5 دقائق وخاصة بعد 60 دقيقة فشلت في تلبية الحد الأدنى المطلوب.

5. ملخص

تعتبر إثيرات السليلوز من المواد المضافة المهمة في تركيبات نظام الأفضليات المعمم. تبحث أعمال البحث وتطوير المنتجات هنا في العلاقة بين مورفولوجية جسيمات إثيرات السليلوز وتكوين كتل غير مبللة (ما يسمى بالتكتل) عند رشها ميكانيكيًا. ويعتمد على فرضية آلية العمل أن زمن ذوبان مسحوق اثير السليولوز يؤثر على ترطيب مسحوق الجبس بالماء وبالتالي يؤثر على تكوين الكتل.

يعتمد وقت الذوبان على مورفولوجيا جسيمات أثير السليلوز ويمكن الحصول عليه باستخدام أدوات تحليل الصور الرقمية. في نظام الأفضليات المعمم، تتمتع إثيرات السليلوز ذات القطر المتوسط ​​الكبير لـ DIFI (50,3) بخصائص محسنة لإذابة المسحوق، مما يتيح مزيدًا من الوقت للمياه لتبلل جزيئات الجبس تمامًا، وبالتالي تمكين مكافحة التكتل الأمثل. يتم إنتاج هذا النوع من إيثر السليلوز باستخدام عملية إنتاج جديدة، ولا يعتمد شكل جزيئاته على الشكل الأصلي للمادة الخام المستخدمة في الإنتاج.

متوسط ​​قطر الألياف DIFI (50,3) له تأثير مهم جدًا على التكتل، وهو ما تم التحقق منه عن طريق إضافة هذا المنتج إلى قاعدة الجبس المتوفرة تجاريًا والتي يتم رشها آليًا للرش في الموقع. علاوة على ذلك، أكدت اختبارات الرش الميدانية هذه نتائجنا المختبرية: كانت أفضل منتجات إيثر السليلوز أداءً ذات DIFI الكبير (50,3) قابلة للذوبان تمامًا خلال النافذة الزمنية لإثارة نظام الأفضليات المعمم. ولذلك، فإن منتج إيثر السليلوز الذي يتمتع بأفضل خصائص مقاومة التكتل بعد تحسين شكل الجسيمات لا يزال يحافظ على الأداء الأصلي لاحتجاز الماء.