Влияние на температурата на околната среда върху обработваемостта на гипс, модифициран с целулозен етер

Ефективността на модифицирания с целулозен етер гипс при различни температури на околната среда е много различна, но механизмът му не е ясен. Изследвани са ефектите на целулозния етер върху реологичните параметри и задържането на вода на гипсовата суспензия при различни температури на околната среда. Хидродинамичният диаметър на целулозния етер в течна фаза беше измерен чрез метода на динамично разсейване на светлината и беше изследван механизмът на влияние. Резултатите показват, че целулозен етер има добър водозадържащ и сгъстяващ ефект върху гипса. С увеличаване на съдържанието на целулозен етер, вискозитетът на суспензията се увеличава и капацитетът за задържане на вода се увеличава. Въпреки това, с повишаване на температурата, капацитетът за задържане на вода на модифицираната гипсова суспензия намалява до известна степен и реологичните параметри също се променят. Като се има предвид, че колоидната асоциация с целулозен етер може да постигне задържане на вода чрез блокиране на канала за транспортиране на вода, повишаването на температурата може да доведе до разпадане на асоциацията с голям обем, произведена от целулозен етер, като по този начин намалява задържането на вода и работната производителност на модифицирания гипс.

Ключови думи:гипс; Целулозен етер; температура; Задържане на вода; реология

0. Въведение

Гипсът, като вид екологично чист материал с добри строителни и физически свойства, се използва широко в декоративни проекти. При прилагането на материали на основата на гипс обикновено се добавя агент за задържане на вода, за да се модифицира суспензията, за да се предотврати загубата на вода в процеса на хидратация и втвърдяване. Целулозният етер е най-разпространеният агент за задържане на вода в момента. Тъй като йонният CE ще реагира с Ca2+, често използвайте нейонен CE, като например: хидроксипропил метил целулозен етер, хидроксиетил метил целулозен етер и метил целулозен етер. Важно е да се проучат свойствата на модифицирания гипс с целулозен етер за по-добро приложение на гипса в декоративното инженерство.

Целулозният етер е високомолекулно съединение, получено чрез реакцията на алкална целулоза и етеризиращ агент при определени условия. Нейонният целулозен етер, използван в строителното инженерство, има добра дисперсия, задържане на вода, свързване и сгъстяващ ефект. Добавянето на целулозен етер има много очевиден ефект върху задържането на вода в гипса, но якостта на огъване и натиск на втвърденото от гипс тяло също леко намалява с увеличаване на добавеното количество. Това е така, защото целулозният етер има известен въздушен ефект, който ще въведе мехурчета в процеса на смесване на суспензията, като по този начин ще намали механичните свойства на втвърденото тяло. В същото време твърде много целулозен етер ще направи гипсовата смес твърде лепкава, което ще доведе до нейните строителни характеристики.

Процесът на хидратация на гипса може да бъде разделен на четири стъпки: разтваряне на калциев сулфат полухидрат, кристализация на нуклеация на калциев сулфат дихидрат, растеж на кристално ядро ​​и образуване на кристална структура. В процеса на хидратация на гипса, хидрофилната функционална група на целулозен етер, адсорбираща се върху повърхността на гипсовите частици, ще фиксира част от водните молекули, като по този начин забавя процеса на нуклеация на хидратацията на гипса и удължава времето за втвърдяване на гипса. Чрез SEM наблюдение, Mroz установи, че въпреки че присъствието на целулозен етер забавя растежа на кристалите, но увеличава припокриването и агрегацията на кристалите.

Целулозният етер съдържа хидрофилни групи, така че да има определена хидрофилност, полимерна дълга верига, свързана помежду си, така че да има висок вискозитет, взаимодействието на двете прави целулозата да има добър водозадържащ сгъстяващ ефект върху гипсовата смес. Булихен обяснява механизма за задържане на вода от целулозния етер в цимента. При слабо смесване, целулозен етер се адсорбира върху цимента за вътрешномолекулна абсорбция на вода и се придружава от набъбване, за да се постигне задържане на вода. По това време задържането на вода е слабо. Висока доза, целулозен етер ще образува стотици нанометри до няколко микрона колоиден полимер, ефективно блокиращ гелната система в дупката, за да се постигне ефективно задържане на вода. Механизмът на действие на целулозния етер в гипса е същият като този в цимента, но по-високата концентрация на SO42- във течната фаза на гипсовата суспензия ще отслаби водозадържащия ефект на целулозата.

Въз основа на горното съдържание може да се установи, че настоящите изследвания върху гипс, модифициран с целулозен етер, се фокусират най-вече върху процеса на хидратация на целулозен етер върху гипсовата смес, свойствата за задържане на вода, механичните свойства и микроструктурата на втвърденото тяло и механизма на целулозния етер задържане на вода. Въпреки това, изследването на взаимодействието между целулозен етер и гипсова суспензия при висока температура все още е недостатъчно. Водният разтвор на целулозен етер ще желатинизира при определена температура. С повишаването на температурата вискозитетът на водния разтвор на целулозния етер постепенно ще намалее. Когато се достигне температурата на желатиниране, целулозен етер ще се утаи в бял гел. Например, при лятната конструкция температурата на околната среда е висока, свойствата на термичния гел на целулозния етер непременно ще доведат до промени в обработваемостта на модифицираната гипсова суспензия. Тази работа изследва ефекта от повишаването на температурата върху обработваемостта на модифицирания с целулозен етер гипсов материал чрез систематични експерименти и предоставя насоки за практическото приложение на модифициран с целулозен етер гипс.

1. Експериментирайте

1.1 Суровини

Гипсът е β-тип естествен строителен гипс, предоставен от Beijing Ecological Home Group.

Целулозен етер, избран от Shandong Yiteng Group хидроксипропил метил целулозен етер, продуктови спецификации за 75 000 mPa·s, 100 000 mPa·s и 200 000 mPa·s, температура на желиране над 60 ℃. Лимонената киселина беше избрана като забавител на гипса.

1.2 Реологичен тест

Използваният реологичен тестов инструмент беше RST⁃CC реометър, произведен от BROOKFIELD USA. Реологични параметри като пластичен вискозитет и напрежение на срязване на провлачване на гипсова суспензия бяха определени от контейнер за проби MBT⁃40F⁃0046 и ротор CC3⁃40 и данните бяха обработени от софтуер RHE3000.

Характеристиките на гипсовата смес съответстват на реологичното поведение на течността на Bingham, която обикновено се изследва с помощта на модела на Bingham. Въпреки това, поради псевдопластичността на целулозния етер, добавен към модифицирания с полимер гипс, сместа от суспензия обикновено показва определено свойство на разреждане при срязване. В този случай модифицираният модел на Bingham (M⁃B) може по-добре да опише реологичната крива на гипса. За да се изследва деформацията на срязване на гипса, тази работа също използва модела Herschel⁃Bulkley (H⁃B).

1.3 Тест за задържане на вода

Тестовата процедура се отнася до GB/T28627⁃2012 Мазилка за мазилка. По време на експеримента с температура като променлива, гипсът беше предварително загрят 1 час предварително при съответната температура във фурната, а смесената вода, използвана в експеримента, беше предварително загрята 1 час при съответната температура във водна баня с постоянна температура и използваният инструмент беше предварително загрята.

1.4 Тест за хидродинамичен диаметър

Хидродинамичният диаметър (D50) на НРМС полимерна асоциация в течна фаза се измерва с помощта на анализатор на размера на частиците с динамично разсейване на светлината (Malvern Zetasizer NanoZS90).

2. Резултати и обсъждане

2.1 Реологични свойства на HPMC модифициран гипс

Привидният вискозитет е съотношението на напрежението на срязване към скоростта на срязване, действащо върху флуида, и е параметър за характеризиране на потока на ненютонови флуиди. Привидният вискозитет на модифицираната гипсова суспензия се променя със съдържанието на целулозен етер при три различни спецификации (75000mPa·s, 100 000mpa·s и 200000mPa·s). Температурата на теста беше 20 ℃. Когато скоростта на срязване на реометъра е 14 min-1, може да се установи, че вискозитетът на гипсовата суспензия се увеличава с увеличаването на включването на HPMC и колкото по-висок е вискозитетът на HPMC, толкова по-висок ще бъде вискозитетът на модифицираната гипсова суспензия. Това показва, че HPMC има очевиден ефект на сгъстяване и вискозификация върху гипсовата суспензия. Гипсовата каша и целулозният етер са вещества с определен вискозитет. В модифицираната гипсова смес целулозен етер се адсорбира върху повърхността на продуктите за хидратация на гипс и мрежата, образувана от целулозен етер, и мрежата, образувана от гипсовата смес, се преплитат, което води до „ефект на суперпозиция“, което значително подобрява общия вискозитет на модифициран материал на основата на гипс.

Кривите на напрежение ⁃ на срязване на чист гипс (G⁃H) и модифицирана гипсова (G⁃H) паста, легирана със 75000mPa·s-HPMC, както е изведено от ревизирания модел на Bingham (M⁃B). Може да се установи, че с увеличаване на скоростта на срязване напрежението на срязване на сместа също се увеличава. Получени са стойностите на пластичния вискозитет (ηp) и напрежението на срязване на провлачване (τ0) на чист гипс и HPMC модифициран гипс при различни температури.

От стойностите на пластичния вискозитет (ηp) и напрежението на срязване на провлачване (τ0) на чист гипс и HPMC модифициран гипс при различни температури може да се види, че границата на провлачане на HPMC модифициран гипс ще намалява непрекъснато с повишаването на температурата и добивът напрежението ще намалее с 33% при 60 ℃ в сравнение с 20 ℃. Чрез наблюдение на кривата на пластичния вискозитет може да се установи, че пластичният вискозитет на модифицираната гипсова суспензия също намалява с повишаване на температурата. Въпреки това, границата на провлачване и пластичният вискозитет на чистата гипсова суспензия се увеличават леко с повишаване на температурата, което показва, че промяната на реологичните параметри на HPMC модифицираната гипсова суспензия в процеса на повишаване на температурата е причинена от промяната на свойствата на HPMC.

Стойността на напрежението на провлачване на гипсовата суспензия отразява максималната стойност на напрежението на срязване, когато суспензията издържа на деформация на срязване. Колкото по-висока е стойността на границата на провлачване, толкова по-стабилна може да бъде гипсовата суспензия. Пластичният вискозитет отразява скоростта на деформация на гипсовата суспензия. Колкото по-голям е пластичният вискозитет, толкова по-дълго ще бъде времето за деформация на срязване на суспензията. В заключение, двата реологични параметъра на HPMC модифицираната гипсова суспензия намаляват очевидно с повишаването на температурата и ефектът на сгъстяване на HPMC върху гипсовата суспензия е отслабен.

Деформацията на срязване на суспензията се отнася до ефекта на удебеляване или изтъняване на срязване, отразен от суспензията, когато е подложена на сила на срязване. Ефектът на деформация на срязване на суспензията може да се прецени по псевдопластичния индекс n, получен от кривата на напасване. Когато n < 1, гипсовата суспензия показва изтъняване при срязване и степента на изтъняване на срязване на гипсовата суспензия става по-висока с намаляване на n. Когато n > 1, гипсовата суспензия показва сгъстяване на срязване и степента на сгъстяване на срязване на гипсовата суспензия се увеличава с увеличаването на n. Реологични криви на HPMC модифицирана гипсова суспензия при различни температури на базата на модела Herschel⁃Bulkley (H⁃B), като по този начин се получава псевдопластичният индекс n на HPMC модифицирана гипсова суспензия.

Според псевдопластичния индекс n на HPMC модифицирана гипсова суспензия, деформацията на срязване на гипсовата суспензия, смесена с HPMC, е изтъняване на срязване и стойността на n постепенно се увеличава с повишаване на температурата, което показва, че поведението на срязване на разреждане на HPMC модифициран гипс ще да бъдат отслабени до известна степен, когато са повлияни от температурата.

Въз основа на очевидните промени във вискозитета на модифицираната гипсова суспензия със скорост на срязване, изчислена от данни за напрежението на срязване от 75000 mPa· HPMC при различни температури, може да се установи, че пластичният вискозитет на модифицираната гипсова суспензия намалява бързо с увеличаване на скоростта на срязване, който проверява резултата от монтажа на модела H⁃B. Модифицираната гипсова суспензия показа характеристики на разреждане при срязване. С повишаването на температурата привидният вискозитет на сместа намалява до известна степен при ниска скорост на срязване, което показва, че ефектът на разреждане на срязване на модифицираната гипсова суспензия е отслабен.

При действителното използване на гипсова замазка се изисква гипсовата суспензия да може лесно да се деформира в процеса на триене и да остане стабилна в покой, което изисква гипсовата суспензия да има добри характеристики на разреждане на срязване, а промяната на срязване на HPMC модифициран гипс е рядкост известна степен, която не е благоприятна за изграждането на гипсови материали. Вискозитетът на HPMC е един от важните параметри, а също и основната причина, поради която той играе ролята на сгъстяване за подобряване на променливите характеристики на потока на смесване. Самият целулозен етер има свойствата на горещ гел, вискозитетът на неговия воден разтвор намалява постепенно с повишаване на температурата и бял гел се утаява при достигане на температурата на желиране. Промяната на реологичните параметри на модифицирания с целулозен етер гипс с температура е тясно свързана с промяната на вискозитета, тъй като ефектът на сгъстяване е резултат от суперпозицията на целулозен етер и смесена суспензия. В практическото инженерство трябва да се вземе предвид въздействието на температурата на околната среда върху работата на HPMC. Например, температурата на суровините трябва да се контролира при висока температура през лятото, за да се избегне лошата работна производителност на модифицирания гипс, причинена от висока температура.

2.2 Задържане на вода наHPMC модифициран гипс

Водозадържането на гипсова суспензия, модифицирана с три различни спецификации на целулозен етер, се променя с кривата на дозиране. С увеличаването на дозата на HPMC степента на задържане на вода на гипсовата суспензия се подобрява значително и тенденцията на увеличение става стабилна, когато дозата на HPMC достигне 0,3%. И накрая, степента на задържане на вода на гипсовата суспензия е стабилна при 90% ~ 95%. Това показва, че HPMC има очевиден водозадържащ ефект върху пастата за каменна паста, но водозадържащият ефект не се подобрява значително, тъй като дозата продължава да се увеличава. Разликата в три спецификации на степента на задържане на вода HPMC не е голяма, например, когато съдържанието е 0,3%, диапазонът на скоростта на задържане на вода е 5%, стандартното отклонение е 2,2. HPMC с най-висок вискозитет не е с най-висока степен на задържане на вода, а HPMC с най-нисък вискозитет не е с най-ниска степен на задържане на вода. Въпреки това, в сравнение с чистия гипс, степента на задържане на вода на трите НРМС за гипсова суспензия е значително подобрена, а степента на задържане на вода на модифицирания гипс при съдържание от 0,3% се увеличава с 95%, 106%, 97% в сравнение с празна контролна група. Целулозният етер очевидно може да подобри задържането на вода в гипсовата суспензия. С увеличаване на съдържанието на HPMC, степента на задържане на вода на HPMC модифицирана гипсова суспензия с различен вискозитет постепенно достига точката на насищане. 10000mPa·sHPMC достига точката на насищане при 0,3%, 75000mPa·s и 20000mPa·s HPMC достига точката на насищане при 0,2%. Резултатите показват, че задържането на вода при 75000mPa·s HPMC модифициран гипс се променя с температурата при различна дозировка. С понижаването на температурата степента на задържане на вода на HPMC модифицирания гипс постепенно намалява, докато степента на задържане на вода на чистия гипс основно остава непроменена, което показва, че повишаването на температурата отслабва ефекта на задържане на вода на HPMC върху гипса. Степента на задържане на вода на HPMC намалява с 31,5%, когато температурата се повишава от 20 ℃ на 40 ℃. Когато температурата се повиши от 40 ℃ до 60 ℃, степента на задържане на вода на HPMC модифицирания гипс е основно същата като тази на чистия гипс, което показва, че HPMC е загубил ефекта от подобряването на задържането на вода на гипса в този момент. Jian Jian и Wang Peiming предложиха, че самият целулозен етер има феномен на термичен гел, температурната промяна ще доведе до промени във вискозитета, морфологията и адсорбцията на целулозния етер, което непременно ще доведе до промени в ефективността на сместа от суспензия. Bulichen също установи, че динамичният вискозитет на циментовите разтвори, съдържащи HPMC, намалява с повишаване на температурата.

Промяната на задържането на вода в сместа, причинена от повишаването на температурата, трябва да се комбинира с механизма на целулозния етер. Булихен обясни механизма, чрез който целулозният етер може да задържа вода в цимента. В системите на базата на цимент HPMC подобрява степента на задържане на вода на суспензията чрез намаляване на пропускливостта на „филтърната утайка“, образувана от системата за циментиране. Определена концентрация на HPMC в течната фаза ще образува няколкостотин нанометра до няколко микрона колоидна асоциация, това има определен обем полимерна структура, която може ефективно да запуши канала за пренос на вода в сместа, да намали пропускливостта на „филтърната торта“, за постигане на ефективно задържане на вода. Bulichen също показа, че HPMCS в гипса показват същия механизъм. Следователно изследването на хидромеханичния диаметър на асоциацията, образувана от HPMC в течната фаза, може да обясни ефекта на HPMC върху задържането на вода на гипса.

2.3 Хидродинамичен диаметър на HPMC колоидна асоциация

Криви на разпределение на частиците на различни концентрации от 75000mPa·s HPMC в течна фаза и криви на разпределение на частици на три спецификации на HPMC в течна фаза при концентрация от 0,6%. Може да се види от кривата на разпределение на частиците на HPMC на три спецификации в течната фаза, когато концентрацията е 0,6%, че с увеличаването на концентрацията на HPMC размерът на частиците на свързаните съединения, образувани в течната фаза, също се увеличава. Когато концентрацията е ниска, частиците, образувани от HPMC агрегацията, са малки и само малка част от HPMC се агрегира в частици от около 100 nm. Когато концентрацията на HPMC е 1%, има голям брой колоидни асоциации с хидродинамичен диаметър от около 300 nm, което е важен признак за молекулярно припокриване. Тази полимеризационна структура с „голям обем“ може ефективно да блокира канала за пренос на вода в сместа, да намали „пропускливостта на кейка“ и съответното задържане на вода на гипсовата смес при тази концентрация също е по-голямо от 90%. Хидромеханичните диаметри на HPMC с различен вискозитет в течна фаза са основно еднакви, което обяснява сходната скорост на задържане на вода на HPMC модифицирана гипсова суспензия с различен вискозитет.

Криви на разпределение на размера на частиците от 75000mPa·s HPMC с 1% концентрация при различни температури. С повишаването на температурата може очевидно да се открие разлагането на колоидната асоциация на HPMC. При 40 ℃, големият обем от 300 nm асоциация напълно изчезна и се разложи на частици с малък обем от 15 nm. С по-нататъшното повишаване на температурата HPMC става по-малки частици и задържането на вода от гипсовата суспензия се губи напълно.

Феноменът на свойствата на HPMC, променящи се с повишаване на температурата, е известен също като свойства на горещ гел, съществуващото общо мнение е, че при ниска температура HPMC макромолекулите първо се диспергират във вода, за да се разтвори разтворът, HPMC молекулите във висока концентрация ще образуват асоциация на големи частици . Когато температурата се повиши, хидратацията на HPMC се отслабва, водата между веригите постепенно се изхвърля, големите асоциативни съединения постепенно се диспергират в малки частици, вискозитетът на разтвора намалява и триизмерната мрежова структура се образува, когато желирането температурата се достига и белият гел се утаява.

Bodvik установи, че микроструктурата и адсорбционните свойства на HPMC в течна фаза са променени. В комбинация с теорията на Bulichen за колоидна асоциация на НРМС, блокираща канала за транспортиране на суспензия, се стигна до заключението, че повишаването на температурата води до разпадане на колоидната асоциация на НРМС, което води до намаляване на задържането на вода на модифицирания гипс.

3. Заключение

(1) Самият целулозен етер има висок вискозитет и ефект на „наслагване“ с гипсова суспензия, играейки очевиден ефект на сгъстяване. При стайна температура ефектът на сгъстяване става по-очевиден с увеличаването на вискозитета и дозировката на целулозен етер. Въпреки това, с повишаване на температурата, вискозитетът на целулозния етер намалява, неговият сгъстяващ ефект отслабва, напрежението на срязване на провлачване и пластичният вискозитет на гипсовата смес намаляват, псевдопластичността отслабва и строителните свойства се влошават.

(2) Целулозният етер подобри задържането на вода на гипса, но с повишаването на температурата задържането на вода на модифицирания гипс също значително намаля, дори при 60 ℃ напълно ще загуби ефекта на задържане на вода. Степента на задържане на вода на гипсовата суспензия беше значително подобрена от целулозен етер и степента на задържане на вода на HPMC модифицирана гипсова суспензия с различен вискозитет постепенно достигна точка на насищане с увеличаване на дозата. Задържането на вода в гипса обикновено е пропорционално на вискозитета на целулозния етер, при висок вискозитет има малък ефект.

(3) Вътрешните фактори, които променят задържането на вода на целулозния етер с температура, са тясно свързани с микроскопичната морфология на целулозния етер в течна фаза. При определена концентрация целулозният етер има тенденция да се агрегира, за да образува големи колоидни асоциации, блокирайки канала за воден транспорт на гипсова смес, за да се постигне високо задържане на вода. Въпреки това, с повишаването на температурата, поради термичното желиращо свойство на самия целулозен етер, образуваната преди това голяма колоидна асоциация се диспергира отново, което води до намаляване на ефективността на задържане на вода.