Èter de cel·lulosa en productes a base de ciment

L'èter de cel·lulosa és una mena d'additiu polivalent que es pot utilitzar en productes de ciment. Aquest article presenta les propietats químiques de la metil cel·lulosa (MC) i la hidroxipropilmetil cel·lulosa (HPMC/) que s'utilitzen habitualment en els productes de ciment, el mètode i el principi de la solució neta i les principals característiques de la solució. La disminució de la temperatura del gel tèrmic i la viscositat dels productes de ciment es va discutir a partir de l'experiència pràctica de producció.

Paraules clau:èter de cel·lulosa; Metilcel·lulosa;Hidroxipropil metil cel·lulosa; temperatura del gel calent; viscositat

1. Visió general

L'èter de cel·lulosa (CE per abreujar) està fet de cel·lulosa mitjançant la reacció d'eterificació d'un o diversos agents eterificants i la mòlta en sec. El CE es pot dividir en tipus iònic i no iònic, entre els quals el tipus no iònic CE per les seves característiques úniques de gel tèrmic i solubilitat, resistència a la sal, resistència a la calor i té una activitat superficial adequada. Es pot utilitzar com a agent de retenció d'aigua, agent de suspensió, emulsionant, agent de formació de pel·lícules, lubricant, adhesiu i millorador reològic. Les principals àrees de consum estranger són recobriments de làtex, materials de construcció, perforació de petroli, etc. En comparació amb països estrangers, la producció i aplicació de CE soluble en aigua encara està en la seva infància. Amb la millora de la salut de les persones i la consciència ambiental. El CE soluble en aigua, que és inofensiu per a la fisiologia i no contamina el medi ambient, tindrà un gran desenvolupament.

En l'àmbit dels materials de construcció, el CE sol ser metil cel·lulosa (MC) i hidroxipropil metil cel·lulosa (HPMC), es pot utilitzar com a plastificant de pintura, guix, morter i productes de ciment, viscosificant, agent de retenció d'aigua, agent d'aire i retardador. La majoria de la indústria de materials de construcció s'utilitza a temperatura normal, les condicions d'ús són pols de barreja seca i aigua, menys implicant les característiques de dissolució i les característiques del gel calent de CE, però en la producció mecanitzada de productes de ciment i altres condicions especials de temperatura, aquestes característiques de CE jugarà un paper més complet.

2. Propietats químiques de la CE

La CE s'obté mitjançant el tractament de la cel·lulosa mitjançant una sèrie de mètodes químics i físics. Segons la diferent estructura de substitució química, normalment es pot dividir en: MC, HPMC, hidroxietilcel·lulosa (HEC), etc.: Cada CE té l'estructura bàsica de la cel·lulosa: glucosa deshidratada. En el procés de producció de CE, les fibres de cel·lulosa s'escalfen primer en una solució alcalina i després es tracten amb agents eterificants. Els productes de reacció fibrosa es purifiquen i es polveritzen per formar una pols uniforme d'una certa finesa.

El procés de producció de MC només utilitza clorur de metà com a agent eterificant. A més de l'ús de clorur de metà, la producció de HPMC també utilitza òxid de propilè per obtenir grups substituents d'hidroxipropil. Diversos CE tenen diferents taxes de substitució de metil i hidroxipropil, cosa que afecta la compatibilitat orgànica i la temperatura del gel tèrmic de la solució CE.

El nombre de grups de substitució a les unitats estructurals de glucosa deshidratada de la cel·lulosa es pot expressar mitjançant el percentatge de massa o el nombre mitjà de grups de substitució (és a dir, DS — Grau de substitució). El nombre de grups substituents determina les propietats dels productes CE. L'efecte del grau mitjà de substitució sobre la solubilitat dels productes d'eterificació és el següent:

(1) baix grau de substitució soluble en lleix;

(2) grau de substitució lleugerament elevat soluble en aigua;

(3) alt grau de substitució dissolt en dissolvents orgànics polars;

(4) Major grau de substitució dissolt en dissolvents orgànics no polars.

3. Mètode de dissolució de CE

CE té una propietat de solubilitat única, quan la temperatura augmenta a una determinada temperatura, és insoluble en aigua, però per sota d'aquesta temperatura, la seva solubilitat augmentarà amb la disminució de la temperatura. El CE és soluble en aigua freda (i en alguns casos en dissolvents orgànics específics) mitjançant el procés d'inflor i hidratació. Les solucions de CE no tenen les limitacions de solubilitat evidents que apareixen en la dissolució de sals iòniques. La concentració de CE es limita generalment a la viscositat que pot ser controlada per l'equip de producció, i també varia segons la viscositat i la varietat química requerida per l'usuari. La concentració de solució de CE de baixa viscositat és generalment del 10% ~ 15%, i la CE d'alta viscositat generalment es limita al 2% ~ 3%. Diferents tipus de CE (com ara pols o pols tractada superficialment o granular) poden afectar com es prepara la solució.

3.1 CE sense tractament superficial

Tot i que el CE és soluble en aigua freda, s'ha de dispersar completament en aigua per evitar l'aglomeració. En alguns casos, es pot utilitzar un mesclador o embut d'alta velocitat en aigua freda per dispersar la pols CE. Tanmateix, si la pols no tractada s'afegeix directament a l'aigua freda sense remoure prou, es formaran grumolls substancials. El motiu principal de l'acumulació és que les partícules de pols CE no estan completament humides. Quan només es dissol una part de la pols, es formarà una pel·lícula de gel, que evita que la pols restant es continuï dissolint. Per tant, abans de la dissolució, les partícules CE s'han de dispersar completament en la mesura del possible. Els dos mètodes de dispersió següents s'utilitzen habitualment.

3.1.1 Mètode de dispersió de mescla seca

Aquest mètode s'utilitza més habitualment en productes de ciment. Abans d'afegir aigua, barregeu una altra pols amb pols CE de manera uniforme, de manera que les partícules de pols CE es dispersen. Relació de mescla mínima: altra pols: pols CE = (3 ~ 7): 1.

En aquest mètode, la dispersió de CE es completa en estat sec, utilitzant una altra pols com a mitjà per dispersar les partícules de CE entre si, per evitar la unió mútua de partícules de CE quan s'afegeix aigua i afecta una dissolució addicional. Per tant, no es necessita aigua calenta per a la dispersió, però la velocitat de dissolució depèn de les partícules de pols i de les condicions d'agitació.

3.1.2 Mètode de dispersió d'aigua calenta

(1) El primer 1/5 ~ 1/3 de l'escalfament de l'aigua requerit a 90 °C més amunt, afegiu CE i, a continuació, remeneu fins que totes les partícules es dispersin humides, i després s'afegeix l'aigua restant en aigua freda o gelada per reduir la temperatura del solució, un cop assolit la temperatura de dissolució CE, la pols va començar a hidratar-se, la viscositat va augmentar.

(2) També podeu escalfar tota l'aigua i, a continuació, afegir CE per remenar mentre es refreda fins que s'hagi completat la hidratació. Un refredament suficient és molt important per a la hidratació completa del CE i la formació de viscositat. Per obtenir una viscositat ideal, la solució MC s'ha de refredar a 0 ~ 5 ℃, mentre que HPMC només s'ha de refredar a 20 ~ 25 ℃ o menys. Com que la hidratació completa requereix un refredament suficient, les solucions HPMC s'utilitzen habitualment quan no es pot utilitzar aigua freda: segons la informació, HPMC té menys reducció de temperatura que MC a temperatures més baixes per aconseguir la mateixa viscositat. Val la pena assenyalar que el mètode de dispersió d'aigua calenta només fa que les partícules CE es dispersin uniformement a una temperatura més alta, però no es forma cap solució en aquest moment. Per obtenir una solució amb una certa viscositat, s'ha de tornar a refredar.

3.2 Pols CE dispersible amb tractament superficial

En molts casos, el CE ha de tenir característiques tant dispersables com d'hidratació ràpida (formant viscositat) en aigua freda. El CE tractat en superfície és temporalment insoluble en aigua freda després d'un tractament químic especial, cosa que garanteix que quan s'afegeix CE a l'aigua, no formarà immediatament una viscositat òbvia i es pot dispersar en condicions de força de cisalla relativament petites. El "temps de retard" de la formació d'hidratació o viscositat és el resultat de la combinació del grau de tractament superficial, la temperatura, el pH del sistema i la concentració de la solució CE. El retard de la hidratació es redueix generalment a concentracions, temperatures i nivells de pH més alts. En general, però, la concentració de CE no es considera fins que arriba al 5% (la relació de massa de l'aigua).

Per obtenir els millors resultats i una hidratació completa, la superfície tractada CE s'ha d'agitar durant uns minuts en condicions neutres, amb el rang de pH de 8,5 a 9,0, fins que s'assoleixi la viscositat màxima (normalment 10-30 minuts). Una vegada que el pH canvia a bàsic (pH 8,5 a 9,0), la superfície tractada CE es dissol completament i ràpidament, i la solució pot ser estable a pH 3 a 11. No obstant això, és important tenir en compte que ajustar el pH d'un purín d'alta concentració farà que la viscositat sigui massa alta per bombejar i abocar. El pH s'ha d'ajustar després que la purín s'hagi diluït a la concentració desitjada.

En resum, el procés de dissolució de CE inclou dos processos: la dispersió física i la dissolució química. La clau és dispersar les partícules CE entre si abans de la dissolució, per evitar l'aglomeració a causa de l'alta viscositat durant la dissolució a baixa temperatura, que afectarà la dissolució posterior.

4. Propietats de la solució CE

Diferents tipus de solucions aquoses CE es gelaten a les seves temperatures específiques. El gel és completament reversible i forma una solució quan es torna a refredar. La gelificació tèrmica reversible de CE és única. En molts productes de ciment, l'ús principal de la viscositat de CE i les propietats de retenció d'aigua i lubricació corresponents, i la viscositat i la temperatura del gel tenen una relació directa, sota la temperatura del gel, com més baixa és la temperatura, més alta és la viscositat de CE, millor serà el rendiment de retenció d'aigua corresponent.

L'explicació actual del fenomen del gel és aquesta: en el procés de dissolució, això és similar

Les molècules de polímer del fil es connecten amb la capa molecular d'aigua, donant lloc a inflor. Les molècules d'aigua actuen com un oli lubricant, que pot separar llargues cadenes de molècules de polímer, de manera que la solució té les propietats d'un fluid viscós que és fàcil d'abocar. Quan augmenta la temperatura de la solució, el polímer de cel·lulosa perd gradualment aigua i la viscositat de la solució disminueix. Quan s'arriba al punt de gel, el polímer es deshidrata completament, donant lloc a l'enllaç entre els polímers i la formació del gel: la força del gel continua augmentant a mesura que la temperatura es manté per sobre del punt de gel.

A mesura que la solució es refreda, el gel comença a revertir-se i la viscositat disminueix. Finalment, la viscositat de la solució de refrigeració torna a la corba d'augment de temperatura inicial i augmenta amb la disminució de la temperatura. La solució es pot refredar fins al seu valor de viscositat inicial. Per tant, el procés de gel tèrmic de CE és reversible.

El paper principal de la CE en els productes de ciment és com a viscosificant, plastificant i agent de retenció d'aigua, de manera que com controlar la viscositat i la temperatura del gel s'ha convertit en un factor important en els productes de ciment que solen utilitzar el seu punt de temperatura inicial de gel per sota d'una secció de la corba, de manera que com més baixa sigui la temperatura, més gran sigui la viscositat, més evident serà l'efecte de la retenció d'aigua del viscosificador. Els resultats de les proves de la línia de producció de taulers de ciment d'extrusió també mostren que com més baixa sigui la temperatura del material sota el mateix contingut de CE, millor serà l'efecte de viscosificació i retenció d'aigua. Com que el sistema de ciment és un sistema de propietats físiques i químiques extremadament complex, hi ha molts factors que afecten el canvi de temperatura i viscositat del gel CE. I la influència de diverses tendències i graus de Taianin no és la mateixa, de manera que l'aplicació pràctica també va trobar que després de barrejar el sistema de ciment, el punt de temperatura real del gel de CE (és a dir, la disminució de l'efecte de retenció d'aigua i cola és molt evident a aquesta temperatura). ) són inferiors a la temperatura del gel indicada pel producte, per tant, en la selecció de productes CE cal tenir en compte els factors que causen la disminució de la temperatura del gel. Els següents són els principals factors que creiem que afecten la viscositat i la temperatura del gel de la solució CE en productes de ciment.

4.1 Influència del valor del pH en la viscositat

MC i HPMC no són iònics, de manera que la viscositat de la solució que la viscositat de la cola iònica natural té un rang més ampli d'estabilitat DH, però si el valor del pH supera el rang de 3 ~ 11, reduiran gradualment la viscositat a un temperatura més alta o en emmagatzematge durant un llarg període de temps, especialment solució d'alta viscositat. La viscositat de la solució del producte CE disminueix en àcid fort o solució de base forta, que es deu principalment a la deshidratació de CE causada per la base i l'àcid. Per tant, la viscositat de CE sol disminuir fins a cert punt en l'entorn alcalí dels productes de ciment.

4.2 Influència de la velocitat d'escalfament i agitació en el procés de gel

La temperatura del punt de gel es veurà afectada per l'efecte combinat de la velocitat d'escalfament i la velocitat de cisalla d'agitació. L'agitació a alta velocitat i l'escalfament ràpid generalment augmentaran significativament la temperatura del gel, cosa que és favorable per als productes de ciment formats per mescla mecànica.

4.3 Influència de la concentració en gel calent

L'augment de la concentració de la solució sol reduir la temperatura del gel, i els punts de gel de baixa viscositat CE són més alts que els d'alta viscositat CE. Com el METHOCEL A de DOW

La temperatura del gel es reduirà en 10 ℃ per cada augment del 2% de la concentració del producte. Un augment del 2% en la concentració de productes de tipus F reduirà la temperatura del gel en 4 ℃.

4.4 Influència dels additius en la gelificació tèrmica

En el camp dels materials de construcció, molts materials són sals inorgàniques, que tindran un impacte significatiu en la temperatura del gel de la solució CE. Depenent de si l'additiu actua com a agent coagulant o solubilitzant, alguns additius poden augmentar la temperatura del gel tèrmic de CE, mentre que altres poden disminuir la temperatura del gel tèrmic de CE: per exemple, etanol que millora el dissolvent, PEG-400 (polietilenglicol) , anediol, etc., poden augmentar el punt de gel. Les sals, la glicerina, el sorbitol i altres substàncies reduiran el punt de gel, el CE no iònic generalment no es precipitarà a causa dels ions metàl·lics polivalents, però quan la concentració d'electròlits o altres substàncies dissoltes superen un cert límit, els productes CE es poden salar en solució, això es deu a la competència dels electròlits a l'aigua, que resulta en la reducció de la hidratació de CE, el contingut de sal de la solució del producte CE és generalment lleugerament superior al del producte Mc, i el contingut de sal és lleugerament diferent. en diferents HPMC.

Molts ingredients dels productes de ciment faran baixar el punt de gel de la CE, de manera que la selecció d'additius hauria de tenir en compte que això pot provocar canvis en el punt de gel i la viscositat de la CE.

5.Conclusió

(1) L'èter de cel·lulosa és cel·lulosa natural mitjançant la reacció d'eterificació, té la unitat estructural bàsica de la glucosa deshidratada, segons el tipus i el nombre de grups substituents a la seva posició de substitució i té diferents propietats. L'èter no iònic, com ara MC i HPMC, es pot utilitzar com a viscosificador, agent de retenció d'aigua, agent d'entrada d'aire i altres productes àmpliament utilitzats en materials de construcció.

(2) CE té una solubilitat única, formant solució a una temperatura determinada (com la temperatura del gel) i formant gel sòlid o barreja de partícules sòlides a temperatura del gel. Els principals mètodes de dissolució són el mètode de dispersió de mescla en sec, el mètode de dispersió d'aigua calenta, etc., en els productes de ciment que s'utilitzen habitualment és el mètode de dispersió de mescla en sec. La clau és dispersar el CE uniformement abans que es dissolgui, formant una solució a baixes temperatures.

(3) La concentració de la solució, la temperatura, el valor del pH, les propietats químiques dels additius i la velocitat d'agitació afectaran la temperatura del gel i la viscositat de la solució CE, especialment els productes de ciment són solucions de sal inorgànica en ambient alcalí, normalment redueixen la temperatura del gel i la viscositat de la solució CE. , amb efectes adversos. Per tant, segons les característiques de CE, en primer lloc, s'ha d'utilitzar a baixa temperatura (per sota de la temperatura del gel) i, en segon lloc, s'ha de tenir en compte la influència dels additius.