Nejonski eter celuloze u polimer cementu

Kao nezamjenjiv aditiv u polimer cementu, nejonski celulozni eter je dobio veliku pažnju i istraživanje. Na osnovu relevantne literature u zemlji i inostranstvu, razmatrani su zakonitost i mehanizam nejonskog eter celuloze modifikovanog cementnog maltera sa aspekta vrste i izbora nejonskog celuloznog etra, njegovog uticaja na fizička svojstva polimernog cementa, njegov uticaj na mikromorfologiju i mehanička svojstva, te su istaknuti nedostaci dosadašnjih istraživanja. Ovaj rad će promovirati primjenu celuloznog etera u polimer cementu.

Ključne riječi: nejonski eter celuloze, polimer cement, fizička svojstva, mehanička svojstva, mikrostruktura

1. Pregled

Sa sve većom potražnjom i zahtjevima za performansama polimernog cementa u građevinskoj industriji, dodavanje aditiva u njegovu modifikaciju postalo je žarište istraživanja, među kojima je celulozni eter bio široko korišten zbog svog učinka na zadržavanje vode u cementnom malteru, zgušnjavanje, usporavanje, zrak i tako dalje. U ovom radu su opisane vrste celuloznog etera, učinci na fizička i mehanička svojstva polimer cementa i mikromorfologija polimer cementa, što daje teorijsku referencu za primjenu celuloznog etera u polimer cementu.

2. Vrste nejonskog etera celuloze

Eter celuloze je vrsta polimernog jedinjenja sa eterskom strukturom napravljenom od celuloze. Postoji mnogo vrsta celuloznog etera, koji ima veliki uticaj na svojstva materijala na bazi cementa i teško ga je izabrati. Prema hemijskoj strukturi supstituenata, mogu se podijeliti na anjonske, katjonske i nejonske etere. Nejonski celulozni etar sa supstituentom bočnog lanca od H, cH3, c2H5, (cH2cH20)nH, [cH2cH(cH3)0]nH i drugih nerazdvojnih grupa je najčešće korišten u cementu, tipični predstavnici su metil celulozni eter, hidroksipropil metil celulozni eter, hidroksietil metil celulozni eter, eter hidroksietil celuloze i tako dalje. Različite vrste etera celuloze imaju različite efekte na vrijeme vezivanja cementa. Prema prethodnim literaturnim izvještajima, HEC ima najjaču sposobnost usporavanja cementa, slijede ga HPMc i HEMc, a Mc ima najlošiju. Za istu vrstu celuloznog etera, molekulska težina ili viskozitet, metil, hidroksietil, hidroksipropil sadržaj ovih grupa je različit, njegov usporavajući efekat je takođe različit. Uopšteno govoreći, što je veći viskozitet i veći sadržaj nerazdvojivih grupa, to je lošija sposobnost odlaganja. Stoga se u stvarnom proizvodnom procesu, prema zahtjevima komercijalne koagulacije maltera, može odabrati odgovarajući sadržaj funkcionalne grupe celuloznog etra. Ili u proizvodnji celuloznog etera u isto vrijeme, prilagoditi sadržaj funkcionalnih grupa, učiniti da ispunjava zahtjeve različitih maltera.

3、utjecaj nejonskog etera celuloze na fizička svojstva polimer cementa

3.1 Spora koagulacija

Da bi se produžilo vrijeme hidratacijskog stvrdnjavanja cementa, tako da novoumiješani malter dugo vremena ostane plastičan, kako bi se prilagodilo vrijeme vezivanja novoumiješanog maltera, poboljšala njegova radna sposobnost, obično se u malter dodaje usporivač, ne- jonski eter celuloze je pogodan za polimerni cement je uobičajen usporivač.

Na usporavanje nejonskog celuloznog etera na cement uglavnom utiču njegov tip, viskozitet, doziranje, različiti sastav minerala cementa i drugi faktori. Pourchez J et al. pokazalo je da što je veći stepen metilacije celuloznog etera, to je lošiji efekat usporavanja, dok su molekulska težina celuloznog etera i sadržaj hidroksipropoksi slabo uticali na usporavanje hidratacije cementa. Sa povećanjem viskoznosti i količine dopinga nejonskog celuloznog etera, adsorpcioni sloj na površini čestica cementa je zadebljan, a početno i konačno vrijeme vezivanja cementa se produžava, a efekt usporavanja je očigledniji. Istraživanja su pokazala da je rano oslobađanje topline cementne smjese s različitim sadržajem HEMC-a oko 15% niže nego kod čistog cementnog suspenzija, ali nema značajne razlike u kasnijem procesu hidratacije. Singh NK et al. pokazalo je da s povećanjem količine HEc dopinga oslobađanje hidratacijske topline modificiranog cementnog morta pokazuje trend najprije povećanja, a zatim opadanja, a sadržaj HEC pri dostizanju maksimalnog oslobađanja hidratacijske topline povezan je sa godinama stvrdnjavanja.

Osim toga, utvrđeno je da je usporavanje nejonskog etera celuloze usko povezano sa sastavom cementa. Peschard et al. otkrili su da što je manji sadržaj trikalcijum aluminata (C3A) u cementu, to je očigledniji efekat usporavanja celuloznog etra. schmitz L et al. vjeruje da je to uzrokovano različitim načinima etera celuloze u kinetici hidratacije trikalcijum silikata (C3S) i trikalcijum aluminata (C3A). Eter celuloze mogao bi smanjiti brzinu reakcije u periodu ubrzanja C3S, dok bi za C3A mogao produžiti period indukcije i konačno odgoditi proces skrućivanja i stvrdnjavanja maltera.

Postoje različita mišljenja o mehanizmu nejonskog etera celuloze koji odlaže hidrataciju cementa. Silva et al. Liu je vjerovao da će uvođenje celuloznog etera uzrokovati povećanje viskoznosti otopine pora, blokirajući tako kretanje iona i odgađajući kondenzaciju. Međutim, Pourchez et al. vjerovali da postoji očigledna veza između kašnjenja celuloznog etera do hidratacije cementa i viskoziteta cementne suspenzije. Druga teorija je da je usporavajući efekat celuloznog etra usko povezan sa alkalnom degradacijom. Polisaharidi se lako razgrađuju i proizvode hidroksil karboksilnu kiselinu koja može odgoditi hidrataciju cementa u alkalnim uvjetima. Međutim, studije su otkrile da je etar celuloze veoma stabilan u alkalnim uslovima i da se samo blago razgrađuje, a degradacija ima mali uticaj na odlaganje hidratacije cementa. Trenutno je konzistentniji stav da je efekat usporavanja uglavnom uzrokovan adsorpcijom. Konkretno, hidroksilna grupa na molekularnoj površini celuloznog etra je kisela, ca(0H) u hidratacionom cementnom sistemu, a ostale mineralne faze su alkalne. Pod sinergističkim djelovanjem vodonične veze, kompleksiranja i hidrofobne, kisele molekule etera celuloze će se adsorbirati na površini čestica alkalnog cementa i produkata hidratacije. Osim toga, na njegovoj površini se formira tanak film koji ometa dalji rast ovih kristalnih jezgri mineralne faze i odlaže hidrataciju i vezivanje cementa. Što je jači adsorpcijski kapacitet između proizvoda hidratacije cementa i celuloznog etera, to je očiglednije kašnjenje hidratacije cementa. S jedne strane, veličina sterične smetnje igra odlučujuću ulogu u kapacitetu adsorpcije, kao što je mala sterična prepreka hidroksilne grupe, njena jaka kiselost, adsorpcija je također jaka. S druge strane, kapacitet adsorpcije ovisi i o sastavu hidratacijskih produkata cementa. Pourchez et al. otkrili su da se celulozni eter lako adsorbuje na površinu proizvoda hidratacije kao što su ca(0H)2, csH gel i kalcijum aluminat hidrat, ali ga nije lako adsorbovati etringitom i nehidratizovanom fazom. Mullertova studija je također pokazala da je eter celuloze imao jaku adsorpciju na c3s i njegove produkte hidratacije, tako da je hidratacija silikatne faze značajno odgođena. Adsorpcija etringita je bila niska, ali je formiranje etringita značajno odgođeno. To je zbog toga što je na kašnjenje u formiranju etringita utjecao ravnoteža ca2+ u otopini, što je bio nastavak kašnjenja celuloznog etra u hidrataciji silikata.

3.2 Očuvanje vode

Drugi važan modifikacioni efekat celuloznog etera u cementnom malteru je da se pojavi kao sredstvo za zadržavanje vode, što može sprečiti da vlaga u mokrom malteru prerano ispari ili da je apsorbuje baza, i odgodi hidrataciju cementa dok produžava vreme rada mokri malter, kako bi se osiguralo da se tanak malter može raščešljavati, malterisani malter se može razmazati, a lako upijajući malter ne mora da se prethodno vlaži.

Kapacitet celuloznog etera da zadrži vodu usko je povezan sa njegovim viskozitetom, dozom, vrstom i temperaturom okoline. Ostali uslovi su isti, što je veći viskozitet celuloznog etera, to je bolji efekat zadržavanja vode, mala količina celuloznog etera može značajno poboljšati stopu zadržavanja vode u malteru; Za isti celulozni eter, što je veća dodana količina, to je veća stopa zadržavanja vode modifikovanog maltera, ali postoji optimalna vrednost, iznad koje se stopa zadržavanja vode polako povećava. Za različite vrste celuloznog etera, također postoje razlike u zadržavanju vode, kao što je HPMc pod istim uvjetima od Mc bolje zadržavanje vode. Osim toga, učinak zadržavanja vode celuloznog etera opada s povećanjem temperature okoline.

Općenito se vjeruje da je razlog zašto eter celuloze ima funkciju zadržavanja vode uglavnom zbog 0H na molekuli, a atom 0 na eterskoj vezi će biti povezan s molekulama vode kako bi sintetizirao vodikovu vezu, tako da slobodna voda postaje vezana. voda, tako da igra dobru ulogu u zadržavanju vode; Također se vjeruje da makromolekularni lanac celuloznog etera igra restriktivnu ulogu u difuziji molekula vode, kako bi učinkovito kontrolirao isparavanje vode, kako bi se postiglo visoko zadržavanje vode; Pourchez J je tvrdio da je eter celuloze postigao efekat zadržavanja vode poboljšanjem reoloških svojstava novoumiješane cementne suspenzije, strukture porozne mreže i formiranja filma celuloznog etera koji je ometao difuziju vode. Laetitia P et al. također vjeruju da je reološka svojstva maltera ključni faktor, ali također vjeruju da viskoznost nije jedini faktor koji određuje odlične performanse zadržavanja vode maltera. Vrijedi napomenuti da iako celulozni eter ima dobre performanse zadržavanja vode, ali njegova modificirana stvrdnuta cementna žbuka apsorpcija vode će biti smanjena, razlog je taj što je celulozni eter u filmu maltera, au malteru veliki broj malih zatvorenih pora, blokirajući malter unutar kapilare.

3.3 Zgušnjavanje

Konzistencija maltera je jedan od važnih pokazatelja za merenje njegovih radnih performansi. Celulozni eter se često uvodi kako bi se povećala konzistencija. „Konzistencija“ predstavlja sposobnost svježe zamiješanog maltera da teče i deformira pod djelovanjem gravitacije ili vanjskih sila. Dva svojstva zgušnjavanja i zadržavanja vode međusobno se nadopunjuju. Dodavanje odgovarajuće količine celuloznog etera ne samo da može poboljšati performanse zadržavanja vode u malteru, osigurati glatku konstrukciju, već i povećati konzistenciju maltera, značajno povećati anti-disperzionu sposobnost cementa, poboljšati performanse veze između maltera i matrice, i smanjiti pojavu opuštanja maltera.

Efekat zgušnjavanja celuloznog etera uglavnom dolazi od njegovog sopstvenog viskoziteta, što je veći, to je bolji efekat zgušnjavanja, ali ako je viskozitet prevelik, to će smanjiti fluidnost maltera, što utiče na konstrukciju. Faktori koji utiču na promjenu viskoznosti, kao što su molekulska težina (ili stepen polimerizacije) i koncentracija celuloznog etra, temperatura rastvora, brzina smicanja, uticaće na konačni efekat zgušnjavanja.

Mehanizam zgušnjavanja celuloznog etera uglavnom dolazi od hidratacije i zaplitanja između molekula. S jedne strane, polimerni lanac celuloznog etera je lako formirati vodikovu vezu sa vodom u vodi, vodikova veza čini da ima visoku hidrataciju; S druge strane, kada se celulozni eter doda u malter, on će apsorbovati mnogo vode, tako da se njegov sopstveni volumen uveliko širi, smanjujući slobodni prostor čestica, a istovremeno se molekularni lanci celuloznog etra međusobno prepliću. da bi se formirala trodimenzionalna mrežna struktura, čestice maltera su okružene u kojoj, ne slobodno teče. Drugim riječima, pod ova dva djelovanja, viskoznost sistema se poboljšava, čime se postiže željeni efekat zgušnjavanja.

4. Utjecaj nejonskog etera celuloze na morfologiju i strukturu pora polimer cementa

Kao što se iz navedenog može vidjeti, nejonski celulozni eter ima vitalnu ulogu u polimer cementu, a njegovo dodavanje će sigurno utjecati na mikrostrukturu cjelokupnog cementnog maltera. Rezultati pokazuju da nejonski eter celuloze obično povećava poroznost cementnog maltera, a povećava se i broj pora veličine 3nm ~ 350um, među kojima se najviše povećava broj pora u rasponu od 100nm ~500nm. Utjecaj na strukturu pora cementnog maltera usko je povezan s vrstom i viskozitetom dodanog nejonskog etera celuloze. Ou Zhihua et al. Vjeruje se da kada je viskozitet isti, poroznost cementnog maltera modificiranog HEC je manja od poroznosti HPMc i Mc dodanih kao modifikatora. Za isti celulozni eter, što je manji viskozitet, to je manja poroznost modifikovanog cementnog maltera. Proučavajući učinak HPMc na otvor izolacijske ploče od pjenastog cementa, Wang Yanru et al. otkrili su da dodatak HPMC ne mijenja značajno poroznost, ali može značajno smanjiti otvor blende. Međutim, Zhang Guodian et al. utvrdili da što je veći sadržaj HEMc, to je očigledniji utjecaj na strukturu pora cementne suspenzije. Dodatak HEMc može značajno povećati poroznost, ukupni volumen pora i prosječni radijus pora cementne suspenzije, ali se specifična površina pora smanjuje, a broj velikih kapilarnih pora većih od 50 nm u promjeru se značajno povećava, a uvedene pore uglavnom su zatvorene pore.

Analiziran je učinak nejonskog etera celuloze na proces formiranja strukture pora cementne suspenzije. Utvrđeno je da se dodavanjem celuloznog etra uglavnom mijenjaju svojstva tečne faze. S jedne strane, površinski napon tekuće faze se smanjuje, što olakšava stvaranje mjehurića u cementnom malteru i usporava drenažu tečne faze i difuziju mjehurića, tako da se male mjehuriće teško skupljaju u velike mjehuriće i ispuštaju, tako da se praznjenje je znatno povećana; S druge strane, viskoznost tečne faze se povećava, što također inhibira drenažu, difuziju mjehurića i spajanje mjehurića, te povećava sposobnost stabilizacije mjehurića. Stoga se može dobiti način utjecaja etera celuloze na raspodjelu veličine pora cementnog maltera: u rasponu veličine pora većem od 100 nm, mjehurići se mogu uvesti smanjenjem površinskog napona tekuće faze, a difuzija mjehurića se može inhibirati povećanje viskoziteta tečnosti; u području od 30 nm ~ 60 nm, na broj pora u regiji može uticati inhibiranje spajanja manjih mjehurića.

5. Utjecaj nejonskog etera celuloze na mehanička svojstva polimer cementa

Mehanička svojstva polimernog cementa usko su povezana s njegovom morfologijom. Dodatkom nejonskog celuloznog etera povećava se poroznost, što će sigurno imati negativan uticaj na njenu čvrstoću, posebno na čvrstoću na pritisak i čvrstoću na savijanje. Smanjenje tlačne čvrstoće cementnog maltera znatno je veće od čvrstoće na savijanje. Ou Zhihua et al. proučavao je utjecaj različitih vrsta neionskog celuloznog etera na mehanička svojstva cementnog maltera i otkrio da je čvrstoća cementnog maltera modificiranog celuloznim eterom niža od čvrstoće čistog cementnog maltera, a najniža tlačna čvrstoća od 28 d iznosila je samo 44,3% od čistog cementnog rastvora. Čvrstoća na pritisak i čvrstoća na savijanje HPMc, HEMC i MC modificiranog etera celuloze su slične, dok su tlačna čvrstoća i čvrstoća na savijanje HEc modificiranog cementnog suspenzija u svakoj dobi značajno veće. Ovo je usko povezano s njihovom viskozitetom ili molekulskom težinom, što je viskozitet ili molekularna težina celuloznog etera, ili što je veća površinska aktivnost, to je niža čvrstoća modificiranog cementnog maltera.

Međutim, također je pokazano da nejonski eter celuloze može poboljšati vlačnu čvrstoću, fleksibilnost i kohezivnost cementnog maltera. Huang Liangen et al. utvrdili da se, suprotno zakonu promjene tlačne čvrstoće, smična i vlačna čvrstoća suspenzije povećavaju s povećanjem sadržaja celuloznog etera u cementnom mortu. Analiza razloga, nakon dodavanja celuloznog etera i polimerne emulzije zajedno formiraju veliki broj gustog polimernog filma, uvelike poboljšavaju fleksibilnost suspenzije, a proizvodi hidratacije cementa, nehidratizirani cement, punila i drugi materijali ispunjeni ovim filmom , kako bi se osigurala zatezna čvrstoća sistema premaza.

Kako bi se poboljšale performanse polimernog cementa modificiranog neionskim celuloznim eterom, istovremeno poboljšale fizička svojstva cementnog maltera, ne umanjujući značajno njegove mehaničke osobine, uobičajena praksa je da se uskladi sa celuloznim eterom i drugim dodacima koji se dodaju u cementni malter. Li Tao-wen i dr. otkrili su da kompozitni aditiv sastavljen od celuloznog etera i polimernog ljepila u prahu ne samo da je neznatno poboljšao čvrstoću na savijanje i tlačnu čvrstoću morta, tako da su kohezivnost i viskoznost cementnog maltera prikladniji za konstrukciju premaza, već i značajno poboljšao zadržavanje vode kapacitet maltera u poređenju sa pojedinačnim celuloznim etrom. Xu Qi et al. dodao prah šljake, sredstvo za redukciju vode i HEMc, i otkrio da sredstvo za redukciju vode i mineralni prah mogu povećati gustoću maltera, smanjiti broj rupa, kako bi se poboljšala čvrstoća i modul elastičnosti maltera. HEMc može povećati vlačnu čvrstoću maltera, ali nije dobar za tlačnu čvrstoću i modul elastičnosti maltera. Yang Xiaojie i dr. otkrili su da se plastično skupljanje cementnog maltera može značajno smanjiti nakon miješanja HEMc i PP vlakana.

6. Zaključak

Nejonski eter celuloze igra važnu ulogu u polimer cementu, što može značajno poboljšati fizička svojstva (uključujući usporavanje koagulacije, zadržavanje vode, zgušnjavanje), mikroskopsku morfologiju i mehanička svojstva cementnog maltera. Urađeno je dosta posla na modifikaciji materijala na bazi cementa celuloznim eterom, ali još uvijek postoje neki problemi koje je potrebno dalje proučavati. Na primjer, u praktičnim inženjerskim aplikacijama, malo se pažnje poklanja reologiji, deformacijskim svojstvima, volumnoj stabilnosti i trajnosti modificiranih materijala na bazi cementa, a nije uspostavljen redovan odgovarajući odnos s dodatkom celuloznog etra. Istraživanja o mehanizmu migracije polimera celuloznog etera i produkata hidratacije cementa u reakciji hidratacije su još uvijek nedovoljna. Proces i mehanizam djelovanja složenih aditiva koji se sastoje od celuloznog etera i drugih primjesa nisu dovoljno jasni. Kompozitni dodatak celuloznog etera i neorganskih ojačanih materijala kao što su staklena vlakna nije usavršen. Sve ovo će biti u fokusu budućih istraživanja kako bi se pružile teorijske smjernice za daljnje poboljšanje performansi polimer cementa.