Целулозен етер в продукти на циментова основа

Целулозният етер е вид многофункционална добавка, която може да се използва в циментови продукти. Тази статия представя химичните свойства на метил целулозата (MC) и хидроксипропил метил целулозата (HPMC /), които обикновено се използват в циментови продукти, метода и принципа на нетния разтвор и основните характеристики на разтвора. Намаляването на температурата на термичния гел и вискозитета в циментовите продукти беше обсъдено въз основа на практически производствен опит.

Ключови думи:целулозен етер; Метил целулоза;Хидроксипропил метил целулоза; Температура на горещ гел; вискозитет

1. Преглед

Целулозен етер (накратко CE) се получава от целулоза чрез реакция на етерификация на един или няколко етериращи агенти и сухо смилане. CE може да бъде разделен на йонни и нейонни типове, сред които нейонен тип CE поради неговите уникални характеристики на термичен гел и разтворимост, устойчивост на сол, устойчивост на топлина и има подходяща повърхностна активност. Може да се използва като водозадържащ агент, суспензионен агент, емулгатор, филмообразуващ агент, лубрикант, лепило и реологичен подобрител. Основните чуждестранни области на потребление са латексови покрития, строителни материали, нефтени сондажи и др. В сравнение с чужди страни, производството и прилагането на водоразтворим CE е все още в начален стадий. С подобряване на съзнанието за здравето и околната среда на хората. Голямо развитие ще има водоразтворимият СЕ, който е безвреден за физиологията и не замърсява околната среда.

В областта на строителните материали обикновено избраният CE е метил целулоза (MC) и хидроксипропил метил целулоза (HPMC), може да се използва като пластификатор за боя, мазилка, хоросан и циментови продукти, вискозификатор, агент за задържане на вода, агент за увличане на въздух и забавящ агент. По-голямата част от индустрията за строителни материали се използва при нормална температура, използвайки условия са суха смес на прах и вода, по-малко включващи характеристиките на разтваряне и характеристиките на горещ гел на CE, но при механизираното производство на циментови продукти и други специални температурни условия, тези характеристики на CE ще играе по-пълна роля.

2. Химични свойства на СЕ

CE се получава чрез третиране на целулоза чрез серия от химични и физични методи. Според различната химическа заместваща структура обикновено може да се раздели на: MC, HPMC, хидроксиетил целулоза (HEC) и др.: Всеки CE има основната структура на целулозата — дехидратирана глюкоза. В процеса на производство на CE, целулозните влакна първо се нагряват в алкален разтвор и след това се третират с етерифициращи агенти. Влакнестите реакционни продукти се пречистват и пулверизират, за да се образува еднороден прах с определена финост.

Производственият процес на MC използва само метан хлорид като етеризиращ агент. В допълнение към използването на метан хлорид, производството на HPMC също използва пропилей оксид за получаване на хидроксипропилови заместители. Различните CE имат различни нива на заместване на метил и хидроксипропил, което влияе върху органичната съвместимост и температурата на термичния гел на разтвора на CE.

Броят на заместващите групи в дехидратираните глюкозни структурни единици на целулозата може да бъде изразен чрез процент от масата или средния брой на заместващите групи (т.е. DS — Степен на заместване). Броят на заместващите групи определя свойствата на CE продуктите. Ефектът на средната степен на заместване върху разтворимостта на продуктите на етерификация е както следва:

(1) ниска степен на заместване, разтворим в луга;

(2) леко висока степен на заместване, разтворима във вода;

(3) висока степен на заместване, разтворени в полярни органични разтворители;

(4) По-висока степен на заместване, разтворен в неполярни органични разтворители.

3. Метод на разтваряне на CE

CE има уникално свойство на разтворимост, когато температурата се повиши до определена температура, той е неразтворим във вода, но под тази температура неговата разтворимост ще се увеличи с намаляването на температурата. CE е разтворим в студена вода (и в някои случаи в специфични органични разтворители) чрез процеса на набъбване и хидратация. CE разтворите нямат очевидните ограничения на разтворимостта, които се появяват при разтварянето на йонни соли. Концентрацията на CE обикновено е ограничена до вискозитета, който може да се контролира от производственото оборудване, и също така варира в зависимост от вискозитета и химическия сорт, изискван от потребителя. Концентрацията на разтвора на CE с нисък вискозитет обикновено е 10% ~ 15%, а CE с висок вискозитет обикновено е ограничена до 2% ~ 3%. Различни видове CE (като прах или повърхностно обработен прах или гранули) могат да повлияят на начина на приготвяне на разтвора.

3.1 CE без повърхностна обработка

Въпреки че CE е разтворим в студена вода, той трябва да бъде напълно диспергиран във вода, за да се избегне образуването на бучки. В някои случаи може да се използва високоскоростен миксер или фуния в студена вода за диспергиране на CE прах. Въпреки това, ако необработеният прах се добави директно към студена вода без достатъчно разбъркване, ще се образуват значителни бучки. Основната причина за слепване е, че праховите частици CE не са напълно мокри. Когато само част от праха се разтвори, ще се образува гел филм, който не позволява на останалия прах да продължи да се разтваря. Следователно, преди разтваряне, CE частиците трябва да бъдат напълно диспергирани, доколкото е възможно. Обикновено се използват следните два метода на дисперсия.

3.1.1 Метод на диспергиране на суха смес

Този метод се използва най-често при циментови продукти. Преди да добавите вода, смесете друг прах с CE прах равномерно, така че частиците на CE прах да се диспергират. Минимално съотношение на смесване: Друг прах: CE прах =(3 ~ 7) : 1.

При този метод CE дисперсията се извършва в сухо състояние, като се използва друг прах като среда за диспергиране на CE частици една с друга, така че да се избегне взаимното свързване на CE частици при добавяне на вода и повлияване на по-нататъшното разтваряне. Следователно не е необходима гореща вода за диспергиране, но скоростта на разтваряне зависи от прахообразните частици и условията на разбъркване.

3.1.2 Метод на дисперсия с гореща вода

(1) Първата 1/5~1/3 от необходимото загряване на водата до 90C по-горе, добавете CE и след това разбъркайте, докато всички частици се диспергират мокри, и след това останалата вода в студена или ледена вода се добавя, за да се намали температурата на разтвор, след достигане на CE температурата на разтваряне, прахът започва да се хидратира, вискозитетът се повишава.

(2) Можете също така да загреете цялата вода и след това да добавите CE, за да разбъркате, докато охлаждате, докато хидратацията приключи. Достатъчното охлаждане е много важно за пълната хидратация на CE и образуването на вискозитет. За идеален вискозитет MC разтворът трябва да се охлади до 0 ~ 5 ℃, докато HPMC трябва да се охлади само до 20 ~ 25 ℃ или по-ниска. Тъй като пълната хидратация изисква достатъчно охлаждане, HPMC разтворите обикновено се използват там, където не може да се използва студена вода: според информацията HPMC има по-малко понижение на температурата от MC при по-ниски температури за постигане на същия вискозитет. Струва си да се отбележи, че методът на дисперсия в гореща вода кара частиците CE да се диспергират равномерно при по-висока температура, но в този момент не се образува разтвор. За да се получи разтвор с определен вискозитет, той трябва да се охлади отново.

3.2 Повърхностно обработен диспергиращ CE прах

В много случаи се изисква CE да има характеристики както на диспергируемост, така и на бърза хидратация (образуване на вискозитет) в студена вода. Повърхностно обработеният CE е временно неразтворим в студена вода след специално химическо третиране, което гарантира, че когато CE се добави към вода, той няма веднага да образува очевиден вискозитет и може да бъде диспергиран при относително малки условия на срязваща сила. „Времето на забавяне“ на образуването на хидратация или вискозитет е резултат от комбинацията от степента на обработка на повърхността, температурата, рН на системата и концентрацията на CE разтвора. Забавянето на хидратацията обикновено се намалява при по-високи концентрации, температури и нива на pH. Като цяло обаче концентрацията на CE не се взема предвид, докато не достигне 5% (масовото съотношение на водата).

За най-добри резултати и пълна хидратация, повърхностно обработеният CE трябва да се разбърква за няколко минути при неутрални условия, с pH диапазон от 8,5 до 9,0, докато се достигне максимален вискозитет (обикновено 10-30 минути). След като pH се промени до основно (pH 8,5 до 9,0), повърхностно обработеният CE се разтваря напълно и бързо и разтворът може да бъде стабилен при pH 3 до 11. Въпреки това е важно да се отбележи, че регулирането на pH на суспензия с висока концентрация ще доведе до твърде висок вискозитет за изпомпване и изливане. pH трябва да се коригира, след като суспензията е разредена до желаната концентрация.

За да обобщим, процесът на разтваряне на CE включва два процеса: физическа дисперсия и химическо разтваряне. Ключът е да се диспергират CE частиците една с друга преди разтваряне, така че да се избегне агломерация поради висок вискозитет по време на разтваряне при ниска температура, което ще повлияе на по-нататъшното разтваряне.

4. Свойства на СЕ разтвор

Различни видове CE водни разтвори ще желират при техните специфични температури. Гелът е напълно обратим и образува разтвор, когато се охлади отново. Обратимото термично желиране на CE е уникално. В много циментови продукти основната употреба на вискозитета на CE и съответните свойства за задържане на вода и смазване, както и вискозитетът и температурата на гела имат пряка връзка, под температурата на гела, колкото по-ниска е температурата, толкова по-висок е вискозитетът на CE, толкова по-добра е съответната ефективност на задържане на вода.

Сегашното обяснение за феномена на гела е следното: в процеса на разтваряне това е подобно

Полимерните молекули на нишката се свързват с водния молекулен слой, което води до набъбване. Водните молекули действат като смазочно масло, което може да разкъса дълги вериги от полимерни молекули, така че разтворът да има свойствата на вискозна течност, която лесно се изхвърля. Когато температурата на разтвора се повиши, целулозният полимер постепенно губи вода и вискозитетът на разтвора намалява. Когато се достигне точката на желиране, полимерът става напълно дехидратиран, което води до свързването между полимерите и образуването на гела: силата на гела продължава да се увеличава, докато температурата остава над точката на желиране.

Когато разтворът се охлади, гелът започва да се обръща и вискозитетът намалява. Накрая, вискозитетът на охлаждащия разтвор се връща към първоначалната крива на повишаване на температурата и се увеличава с намаляването на температурата. Разтворът може да се охлади до стойността на първоначалния си вискозитет. Следователно процесът на термичен гел на CE е обратим.

Основната роля на CE в циментовите продукти е като вискозификатор, пластификатор и агент за задържане на вода, така че как да се контролира вискозитета и температурата на гела се превърна във важен фактор в циментовите продукти обикновено се използва началната му температура на гела под част от кривата, така че колкото по-ниска е температурата, толкова по-висок е вискозитетът, толкова по-очевиден е ефектът от задържането на вода във вискозификатора. Резултатите от тестовете на линията за производство на екструзионни циментови плоскости също показват, че колкото по-ниска е температурата на материала при същото съдържание на CE, толкова по-добър е ефектът на вискозификация и задържане на вода. Тъй като циментовата система е изключително сложна система от физични и химични свойства, има много фактори, влияещи върху промяната на температурата и вискозитета на CE гела. И влиянието на различни тенденции и степени на Taianin не са еднакви, така че практическото приложение също установи, че след смесване на циментова система, действителната температура на гела на CE (тоест спадът на ефекта на задържане на лепилото и водата е много очевиден при тази температура ) са по-ниски от температурата на гела, посочена от продукта, следователно при избора на CE продукти трябва да се вземат предвид факторите, причиняващи понижаване на температурата на гела. По-долу са основните фактори, които според нас влияят върху вискозитета и температурата на гел на CE разтвор в циментови продукти.

4.1 Влияние на рН стойността върху вискозитета

MC и HPMC са нейонни, така че вискозитетът на разтвора в сравнение с вискозитета на естественото йонно лепило има по-широк диапазон на DH стабилност, но ако стойността на рН надвишава диапазона от 3 ~ 11, те постепенно ще намалят вискозитета при по-висока температура или при съхранение за дълъг период от време, особено разтвор с висок вискозитет. Вискозитетът на разтвора на продукта CE намалява в разтвор на силна киселина или силна основа, което се дължи главно на дехидратацията на CE, причинена от основа и киселина. Следователно вискозитетът на CE обикновено намалява до известна степен в алкалната среда на циментовите продукти.

4.2 Влияние на скоростта на нагряване и разбъркване върху процеса на гелиране

Температурата на точката на гелиране ще бъде повлияна от комбинирания ефект на скоростта на нагряване и скоростта на срязване при разбъркване. Високата скорост на разбъркване и бързото нагряване обикновено повишават значително температурата на гела, което е благоприятно за циментови продукти, получени чрез механично смесване.

4.3 Влияние на концентрацията върху горещ гел

Увеличаването на концентрацията на разтвора обикновено понижава температурата на гела и точките на гел с нисък вискозитет CE са по-високи от тези на висок вискозитет CE. Като METHOCEL A на DOW

Температурата на гела ще се намалява с 10 ℃ за всеки 2% увеличение на концентрацията на продукта. Увеличение с 2% в концентрацията на продукти от тип F ще намали температурата на гела с 4 ℃.

4.4 Влияние на добавките върху термичното желиране

В областта на строителните материали много материали са неорганични соли, които ще окажат значително влияние върху температурата на гела на CE разтвора. В зависимост от това дали добавката действа като коагулант или солюбилизиращ агент, някои добавки могат да повишат температурата на термичния гел на CE, докато други могат да намалят температурата на термичния гел на CE: например етанол, подобряващ разтворителя, PEG-400 (полиетилен гликол) , анедиол и т.н., могат да увеличат точката на гелиране. Соли, глицерин, сорбитол и други вещества ще намалят точката на желиране, нейонните CE обикновено няма да се утаят поради поливалентни метални йони, но когато концентрацията на електролита или други разтворени вещества надвиши определена граница, продуктите на CE могат да бъдат изсолени в разтвор, това се дължи на конкуренцията на електролитите с водата, което води до намаляване на хидратацията на CE. Съдържанието на сол в разтвора на продукта CE обикновено е малко по-високо от това на продукта Mc, а съдържанието на сол е малко по-различно в различни HPMC.

Много съставки в циментовите продукти ще накарат точката на желиране на CE да падне, така че изборът на добавки трябва да вземе предвид, че това може да доведе до промени в точката на желиране и вискозитета на CE.

5. Заключение

(1) целулозен етер е естествена целулоза чрез реакция на етерификация, има основната структурна единица на дехидратирана глюкоза, според вида и броя на заместващите групи в нейната заместваща позиция и има различни свойства. Нейонният етер като MC и HPMC може да се използва като вискозификатор, агент за задържане на вода, агент за увличане на въздух и други широко използвани в продуктите на строителните материали.

(2) CE има уникална разтворимост, образува разтвор при определена температура (като температура на гел) и образува твърд гел или смес от твърди частици при температура на гел. Основните методи за разтваряне са метод на дисперсия със сухо смесване, метод на дисперсия в гореща вода и т.н., в циментовите продукти обикновено се използва методът на дисперсия със сухо смесване. Ключът е CE да се диспергира равномерно, преди да се разтвори, образувайки разтвор при ниски температури.

(3) Концентрацията на разтвора, температурата, рН стойността, химичните свойства на добавките и скоростта на разбъркване ще повлияят на температурата на гела и вискозитета на CE разтвора, особено циментовите продукти са разтвори на неорганични соли в алкална среда, обикновено намаляват температурата на гела и вискозитета на CE разтвора , причиняващи неблагоприятни ефекти. Следователно, според характеристиките на CE, първо, трябва да се използва при ниска температура (под температурата на гела), и второ, трябва да се вземе предвид влиянието на добавките.