Razvoj novih HEMC etera celuloze za smanjenje aglomeracije u malterima na bazi gipsa koji se mašinski prskaju

Razvoj novih HEMC etera celuloze za smanjenje aglomeracije u malterima na bazi gipsa koji se mašinski prskaju

Mašinski prskani malter na bazi gipsa (GSP) se široko koristi u zapadnoj Evropi od 1970-ih. Pojava mehaničkog prskanja efektivno je poboljšala efikasnost malterisanja i istovremeno smanjila troškove izgradnje. Sa produbljivanjem komercijalizacije GSP-a, celulozni eter rastvorljiv u vodi postao je ključni aditiv. Eter celuloze daje GSP-u dobre karakteristike zadržavanja vode, što ograničava apsorpciju vlage podloge u malteru, čime se postiže stabilno vreme vezivanja i dobra mehanička svojstva. Osim toga, specifična reološka kriva celuloznog etra može poboljšati učinak strojnog prskanja i značajno pojednostaviti naknadno izravnavanje maltera i procese završne obrade.

Uprkos očiglednim prednostima etera celuloze u GSP aplikacijama, on takođe može potencijalno doprineti stvaranju suvih grudica kada se prska. Ove nenavlažene grudice poznate su i kao grudvice ili zgrušavanje i mogu negativno uticati na izravnavanje i završnu obradu maltera. Aglomeracija može smanjiti efikasnost gradilišta i povećati troškove primjene proizvoda od gipsa visokih performansi. Kako bismo bolje razumjeli učinak etera celuloze na stvaranje grudica u GSP-u, proveli smo studiju kako bismo pokušali identificirati relevantne parametre proizvoda koji utječu na njihovo stvaranje. Na osnovu rezultata ove studije razvili smo seriju proizvoda od celuloznog etera sa smanjenom tendencijom aglomeracije i evaluirali ih u praktičnim primenama.

Ključne riječi: celulozni eter; gips mašina za prskanje; brzina rastvaranja; morfologija čestica

1. Uvod

Eteri celuloze rastvorljivi u vodi uspešno se koriste u malterima na bazi gipsa (GSP) za regulaciju potražnje za vodom, poboljšanje zadržavanja vode i poboljšanje reoloških svojstava maltera. Stoga pomaže poboljšanju performansi mokrog maltera, čime se osigurava potrebna čvrstoća maltera. Zbog svojih komercijalno održivih i ekološki prihvatljivih svojstava, suha mješavina GSP je u posljednjih 20 godina postala široko korišteni unutrašnji građevinski materijal u cijeloj Europi.

Mašine za mešanje i prskanje suve mešavine GSP uspešno su komercijalizovane decenijama. Iako se neke tehničke karakteristike opreme različitih proizvođača razlikuju, sve komercijalno dostupne mašine za prskanje dozvoljavaju vrlo ograničeno vrijeme miješanja vode da se pomiješa sa gipsanim malterom koji sadrži celulozni eter. Općenito, cijeli proces miješanja traje samo nekoliko sekundi. Nakon miješanja, mokri malter se pumpa kroz dovodno crijevo i prska na zid podloge. Cijeli proces je završen u roku od jedne minute. Međutim, u tako kratkom vremenskom periodu, eteri celuloze moraju se potpuno otopiti kako bi u potpunosti razvili svoja svojstva u primjeni. Dodavanje fino mljevenog celuloznog etera u formulacije gipsanog maltera osigurava potpuno otapanje tokom ovog procesa prskanja.

Fino mljeveni etar celuloze brzo stvara konzistenciju u kontaktu s vodom tokom miješanja u raspršivaču. Brzi porast viskoziteta uzrokovan otapanjem celuloznog etera uzrokuje probleme s istovremenim vlaženjem vode čestica gipsanog cementnog materijala. Kako voda počinje da se zgušnjava, postaje manje tečna i ne može prodrijeti u male pore između čestica gipsa. Nakon što je pristup porama blokiran, proces vlaženja čestica cementnog materijala vodom se odlaže. Vrijeme miješanja u raspršivaču bilo je kraće od vremena potrebnog za potpuno vlaženje čestica gipsa, što je rezultiralo stvaranjem suhih grudvica praha u svježem vlažnom malteru. Jednom kada se ove grudve formiraju, one ometaju efikasnost radnika u narednim procesima: izravnavanje maltera sa grudvicama je veoma problematično i oduzima više vremena. Čak i nakon što se malter stegne, mogu se pojaviti prvobitno formirane grudvice. Na primjer, prekrivanje grudvica iznutra tokom izgradnje će dovesti do pojave tamnih područja u kasnijoj fazi, koje ne želimo vidjeti.

Iako se eteri celuloze već dugi niz godina koriste kao aditivi u GSP-u, njihov uticaj na stvaranje nenavlaženih grudica do sada nije mnogo proučavan. Ovaj članak predstavlja sistematski pristup koji se može koristiti za razumijevanje korijenskog uzroka aglomeracije iz perspektive celuloznog etera.

2. Razlozi za stvaranje neovlaženih grudvica u GSP

2.1 Vlaženje maltera na bazi gipsa

U ranim fazama uspostavljanja istraživačkog programa, skupljen je niz mogućih uzroka za stvaranje grudvica u CSP-u. Zatim, putem kompjuterske analize, problem se fokusira na to da li postoji praktično tehničko rješenje. Ovim radovima preliminarno je izdvojeno optimalno rešenje za formiranje aglomerata u GSP. Iz tehničkih i komercijalnih razmatranja isključen je tehnički put promjene vlaženja čestica gipsa površinskom obradom. Sa komercijalne tačke gledišta, odbačena je ideja o zamjeni postojeće opreme opremom za prskanje sa posebno dizajniranom komorom za miješanje koja može osigurati dovoljno miješanje vode i maltera.

Druga opcija je korištenje sredstava za vlaženje kao aditiva u formulacijama gipsane žbuke i za to smo već pronašli patent. Međutim, dodavanje ovog aditiva neizbježno negativno utječe na obradivost žbuke. Što je još važnije, mijenja fizička svojstva maltera, posebno tvrdoću i čvrstoću. Tako da nismo previše ulazili u to. Osim toga, smatra se da bi dodavanje sredstava za vlaženje moglo imati negativan utjecaj na okoliš.

S obzirom da je celulozni eter već dio formulacije gipsa na bazi gipsa, optimizacija etera celuloze sama po sebi postaje najbolje rješenje koje se može odabrati. Istovremeno, ne smije utjecati na svojstva zadržavanja vode ili negativno utjecati na reološka svojstva žbuke koja se koristi. Na osnovu prethodno predložene hipoteze da je stvaranje nenavlaženih prahova u GSP-u zbog preterano brzog povećanja viskoznosti etera celuloze nakon kontakta s vodom tokom mešanja, kontrola karakteristika rastvaranja etera celuloze postalo je glavni cilj našeg istraživanja. .

2.2 Vrijeme rastvaranja celuloznog etra

Jednostavan način da se uspori brzina otapanja etera celuloze je upotreba proizvoda granularnog kvaliteta. Glavni nedostatak korištenja ovog pristupa u GSP-u je da se čestice koje su previše grube ne rastvaraju u potpunosti unutar kratkog 10-sekundnog intervala miješanja u raspršivaču, što dovodi do gubitka zadržavanja vode. Osim toga, bubrenje neotopljenog etera celuloze u kasnijoj fazi će dovesti do zgušnjavanja nakon malterisanja i uticati na performanse konstrukcije, što ne želimo da vidimo.

Druga opcija za smanjenje brzine otapanja etera celuloze je reverzibilno umrežavanje površine celuloznih etera sa glioksalom. Međutim, budući da je reakcija umrežavanja kontrolirana pH vrijednosti, brzina rastvaranja etera celuloze u velikoj mjeri ovisi o pH vodene otopine koja ga okružuje. pH vrijednost GSP sistema pomiješanog s gašenim vapnom je vrlo visoka, a umrežene veze glioksala na površini se brzo otvaraju nakon kontakta s vodom, a viskozitet odmah počinje rasti. Stoga, takvi hemijski tretmani ne mogu igrati ulogu u kontroli brzine rastvaranja u GSP.

Vrijeme rastvaranja etera celuloze također zavisi od njihove morfologije čestica. Međutim, na ovu činjenicu do sada se nije obraćala velika pažnja, iako je efekat veoma značajan. Imaju konstantnu linearnu stopu rastvaranja [kg/(m2•s)], tako da su njihovo rastvaranje i povećanje viskoziteta proporcionalni raspoloživoj površini. Ova stopa može značajno varirati s promjenama u morfologiji celuloznih čestica. U našim proračunima se pretpostavlja da se puna viskoznost (100%) postiže nakon 5 sekundi miješanja.

Proračuni različitih morfologija čestica pokazali su da su sferne čestice imale viskozitet od 35% konačnog viskoziteta pri pola vremena miješanja. U istom vremenskom periodu, čestice celuloznog etera u obliku štapa mogu dostići samo 10%. Čestice u obliku diska tek su počele da se otapaju nakon toga2,5 sekunde.

Takođe su uključene idealne karakteristike rastvorljivosti za etre celuloze u GSP. Odgodite povećanje početnog viskoziteta za više od 4,5 sekunde. Nakon toga, viskoznost se brzo povećavala da bi dostigla konačni viskozitet unutar 5 sekundi od vremena miješanja. U GSP-u, tako dugo odloženo vrijeme rastvaranja omogućava sistemu da ima nisku viskoznost, a dodana voda može u potpunosti navlažiti čestice gipsa i ući u pore između čestica bez smetnji.

3. Morfologija čestica celuloznog etra

3.1 Mjerenje morfologije čestica

Budući da oblik čestica celuloznog etra ima tako značajan uticaj na rastvorljivost, prvo je potrebno odrediti parametre koji opisuju oblik čestica celuloznog etra, a zatim identifikovati razlike između nekvašenja. Posebno je relevantan parametar formiranje aglomerata. .

Dobili smo morfologiju čestica celuloznog etra tehnikom dinamičke analize slike. Morfologija čestica etera celuloze može se u potpunosti okarakterizirati korištenjem SYMPATEC digitalnog analizatora slike (proizveden u Njemačkoj) i specifičnih softverskih alata za analizu. Utvrđeno je da su najvažniji parametri oblika čestica prosječna dužina vlakana izražena kao LEFI(50,3) i prosječni prečnik izražen kao DIFI(50,3). Podaci o prosječnoj dužini vlakana smatraju se punom dužinom određene raširene čestice etra celuloze.

Obično se podaci o raspodjeli veličine čestica, kao što je prosječni prečnik vlakana DIFI, mogu izračunati na osnovu broja čestica (označenih sa 0), dužine (označene sa 1), površine (označene sa 2) ili zapremine (označene sa 3). Sva mjerenja podataka o česticama u ovom radu zasnivaju se na zapremini i stoga su označena sufiksom 3. Na primjer, u DIFI(50,3), 3 znači raspodjelu zapremine, a 50 znači da je 50% krivulje raspodjele veličine čestica manje od naznačene vrijednosti, a ostalih 50% je veće od naznačene vrijednosti. Podaci o obliku čestica celuloznog etera dati su u mikrometrima (µm).

3.2 Eter celuloze nakon optimizacije morfologije čestica

Uzimajući u obzir uticaj površine čestice, vreme rastvaranja čestica celuloznog etera sa šipkastim oblikom čestica snažno zavisi od prosečnog prečnika vlakna DIFI (50,3). Na osnovu ove pretpostavke, razvojni rad na celuloznim eterima bio je usmeren na dobijanje proizvoda sa većim prosečnim prečnikom vlakana DIFI (50,3) za poboljšanje rastvorljivosti praha.

Međutim, ne očekuje se da će povećanje prosječne dužine vlakana DIFI(50,3) biti praćeno povećanjem prosječne veličine čestica. Povećanje oba parametra zajedno će rezultirati česticama koje su prevelike da bi se potpuno rastvorile unutar tipičnog vremena miješanja od 10 sekundi mehaničkog prskanja.

Stoga bi idealna hidroksietilmetilceluloza (HEMC) trebala imati veći prosječni prečnik vlakana DIFI(50,3) uz zadržavanje prosječne dužine vlakna LEFI(50,3). Koristimo novi proces proizvodnje celuloznog etera za proizvodnju poboljšanog HEMC-a. Oblik čestica celuloznog etera rastvorljivog u vodi dobijenog ovim proizvodnim procesom potpuno je drugačiji od oblika čestica celuloze koja se koristi kao sirovina za proizvodnju. Drugim riječima, proizvodni proces omogućava da dizajn oblika čestica celuloznog etera bude nezavisan od njegovih proizvodnih sirovina.

Tri slike skenirajućeg elektronskog mikroskopa: jedna od celuloznog etra proizvedenog standardnim postupkom i jedna od celuloznog etera proizvedenog novim postupkom sa većim prečnikom DIFI(50,3) od konvencionalnih proizvodnih alata. Prikazana je i morfologija fino mljevene celuloze koja se koristi u proizvodnji ova dva proizvoda.

Upoređujući elektronske mikrofotografije celuloze i celuloznog etera proizvedene standardnim postupkom, lako je otkriti da ova dva imaju slične morfološke karakteristike. Veliki broj čestica na obje slike pokazuje tipično duge, tanke strukture, što sugerira da se osnovne morfološke karakteristike nisu promijenile čak ni nakon što se hemijska reakcija dogodila. Jasno je da su karakteristike morfologije čestica produkta reakcije u velikoj korelaciji sa sirovinama.

Utvrđeno je da se morfološke karakteristike celuloznog etra proizvedenog novim postupkom značajno razlikuju, ima veći prosječni prečnik DIFI (50,3), i uglavnom ima okrugle kratke i debele oblike čestica, dok su tipične tanke i dugačke čestice. u sirovinama celuloze Gotovo izumrle.

Ova slika opet pokazuje da morfologija čestica celuloznih etera proizvedenih novim procesom više nije povezana s morfologijom celuloznog sirovog materijala – veza između morfologije sirovog materijala i konačnog proizvoda više ne postoji.

4. Utjecaj morfologije HEMC čestica na formiranje nenavlaženih nakupina u GSP-u

GSP je testiran u uvjetima terenske primjene kako bi se potvrdilo da je naša hipoteza o mehanizmu rada (da bi upotreba proizvoda od celuloznog etera sa većim srednjim prečnikom DIFI (50,3) smanjila neželjenu aglomeraciju) bila tačna. U ovim eksperimentima korišćeni su HEMC sa srednjim prečnikom DIFI(50,3) u rasponu od 37 µm do 52 µm. Kako bi se minimizirao utjecaj drugih faktora osim morfologije čestica, podloga od gipsane žbuke i svi ostali aditivi ostali su nepromijenjeni. Viskozitet celuloznog etra je održavan konstantnim tokom testa (60.000 mPa.s, 2% vodeni rastvor, mereno HAAKE reometrom).

Za prskanje u pokusima primjene korištena je komercijalno dostupna prskalica za gips (PFT G4). Fokusirajte se na procjenu formiranja nenavlaženih grudvica gipsanog maltera odmah nakon što se nanese na zid. Procjena nakupljanja u ovoj fazi tokom procesa nanošenja žbuke najbolje će otkriti razlike u performansama proizvoda. U testu su iskusni radnici ocijenili situaciju nakupljanja, pri čemu je 1 najbolja, a 6 najgora.

Rezultati testa jasno pokazuju korelaciju između prosječnog promjera vlakna DIFI (50,3) i ocjene performansi zgrušavanja. U skladu s našom hipotezom da proizvodi celuloznog etera sa većim DIFI(50,3) nadmašuju manje DIFI(50,3) proizvode, prosječna ocjena za DIFI(50,3) od 52 µm je 2 (dobar), dok oni sa DIFI( 50,3) od 37µm i 40µm je dobio 5 (neuspjeh).

Kao što smo očekivali, ponašanje zgrušavanja u GSP aplikacijama značajno zavisi od prosječnog promjera DIFI(50,3) upotrijebljenog celuloznog etra. Štaviše, u prethodnoj raspravi je spomenuto da je među svim morfološkim parametrima DIFI(50,3) snažno utjecao na vrijeme rastvaranja praha celuloznog etera. Ovo potvrđuje da vrijeme otapanja celuloznog etera, koje je u velikoj korelaciji s morfologijom čestica, u konačnici utječe na formiranje grudvica u GSP-u. Veći DIFI (50,3) uzrokuje duže vrijeme rastvaranja praha, što značajno smanjuje mogućnost aglomeracije. Međutim, predugo vrijeme rastvaranja praha će otežati potpuno rastvaranje celuloznog etera unutar vremena miješanja opreme za raspršivanje.

Novi HEMC proizvod sa optimiziranim profilom rastvaranja zbog većeg prosječnog prečnika vlakana DIFI(50,3) ne samo da ima bolje vlaženje gipsanog praha (kao što se vidi u procjeni zgrušavanja), već i ne utiče na performanse zadržavanja vode proizvod. Zadržavanje vode izmjereno prema EN 459-2 nije se razlikovalo od HEMC proizvoda istog viskoziteta sa DIFI(50,3) od 37µm do 52µm. Sva mjerenja nakon 5 minuta i 60 minuta spadaju u traženi raspon prikazan na grafikonu.

Međutim, također je potvrđeno da ako DIFI(50,3) postane prevelik, čestice celuloznog etera se više neće potpuno otopiti. Ovo je pronađeno prilikom testiranja DIFI(50,3) proizvoda od 59 µM. Njegovi rezultati testa zadržavanja vode nakon 5 minuta, a posebno nakon 60 minuta nisu zadovoljili traženi minimum.

5. Sažetak

Eteri celuloze su važni aditivi u GSP formulacijama. Rad na istraživanju i razvoju proizvoda ovdje se bavi korelacijom između morfologije čestica celuloznih etera i formiranja nenavlaženih nakupina (tzv. grudvica) kada se mehanički raspršuju. Zasnovan je na pretpostavci mehanizma rada da vrijeme rastvaranja praha celuloznog etera utiče na vlaženje praha gipsa vodom i na taj način utiče na stvaranje grudvica.

Vrijeme rastvaranja ovisi o morfologiji čestica celuloznog etera i može se dobiti pomoću alata za analizu digitalne slike. U GSP-u, etri celuloze sa velikim prosječnim prečnikom DIFI (50,3) imaju optimizirane karakteristike rastvaranja praha, omogućavajući više vremena vodi da temeljito navlaži čestice gipsa, čime se omogućava optimalna anti-aglomeracija. Ova vrsta celuloznog etera proizvodi se novim proizvodnim procesom, a njegov oblik čestica ne zavisi od originalnog oblika sirovine za proizvodnju.

Prosječni prečnik vlakana DIFI (50,3) ima vrlo važan utjecaj na zgrudvanje, što je potvrđeno dodavanjem ovog proizvoda komercijalno dostupnoj mašinski prskanoj podlozi od gipsa za prskanje na licu mjesta. Nadalje, ovi terenski testovi raspršivanjem potvrdili su naše laboratorijske rezultate: proizvodi celuloznog etera s najboljim učinkom s velikim DIFI (50,3) bili su potpuno rastvorljivi unutar vremenskog okvira GSP miješanja. Stoga, proizvod celuloznog etera sa najboljim svojstvima protiv zgrušavanja nakon poboljšanja oblika čestica i dalje zadržava originalne performanse zadržavanja vode.