Éter celulózy ve výrobcích na bázi cementu

Éter celulózy je druh víceúčelového aditiva, které lze použít v cementových výrobcích. Tento článek představuje chemické vlastnosti methylcelulózy (MC) a hydroxypropylmethylcelulózy (HPMC /) běžně používaných v cementových výrobcích, metodu a princip čistého roztoku a hlavní charakteristiky roztoku. Na základě praktických zkušeností z výroby byl diskutován pokles teploty termálního gelu a viskozity v cementových výrobcích.

klíčová slova:ether celulózy; methylcelulóza;Hydroxypropylmethylcelulóza; Teplota horkého gelu; viskozita

1. Přehled

Éter celulózy (zkráceně CE) se vyrábí z celulózy etherifikační reakcí jednoho nebo několika etherifikačních činidel a suchým mletím. CE lze rozdělit na iontové a neiontové typy, mezi které patří neiontový typ CE kvůli svým jedinečným vlastnostem tepelného gelu a rozpustnosti, odolnosti vůči solím, tepelné odolnosti a má odpovídající povrchovou aktivitu. Může být použit jako prostředek zadržující vodu, suspenzní prostředek, emulgátor, filmotvorný prostředek, lubrikant, lepidlo a reologický zlepšovač. Hlavními oblastmi zahraniční spotřeby jsou latexové nátěry, stavební materiály, ropné vrty a tak dále. Ve srovnání se zahraničím je výroba a aplikace ve vodě rozpustného CE stále v plenkách. Se zlepšováním zdraví lidí a povědomí o životním prostředí. Velký rozvoj bude mít ve vodě rozpustný CE, který je fyziologicky neškodný a neznečišťuje životní prostředí.

V oblasti stavebních materiálů se obvykle volí CE methylcelulóza (MC) a hydroxypropylmethylcelulóza (HPMC), lze je použít jako změkčovadlo barev, omítek, malt a cementových výrobků, viskozifikátor, činidlo zadržující vodu, činidlo pro strhávání vzduchu a retardační činidlo. Většina průmyslu stavebních materiálů se používá při normální teplotě, za podmínek se používá suchá směs prášku a vody, méně zahrnuje charakteristiky rozpouštění a horké gelové charakteristiky CE, ale při mechanizované výrobě cementových výrobků a jiných speciálních teplotních podmínkách jsou tyto vlastnosti CE bude hrát plnohodnotnější roli.

2. Chemické vlastnosti CE

CE se získává úpravou celulózy řadou chemických a fyzikálních metod. Podle různé chemické substituční struktury lze obvykle rozdělit na: MC, HPMC, hydroxyethylcelulózu (HEC) atd.: Každý CE má základní strukturu celulózy – dehydratovanou glukózu. V procesu výroby CE se celulózová vlákna nejprve zahřejí v alkalickém roztoku a poté se zpracují etherifikačními činidly. Vláknité reakční produkty jsou čištěny a rozmělňovány na stejnoměrný prášek určité jemnosti.

Výrobní proces MC používá jako etherifikační činidlo pouze methanchlorid. Kromě použití methanchloridu se při výrobě HPMC také používá propylenoxid k získání hydroxypropylových substitučních skupin. Různé CE mají různé rychlosti methylové a hydroxypropylové substituce, což ovlivňuje organickou kompatibilitu a teplotu tepelného gelu roztoku CE.

Počet substitučních skupin na dehydratovaných glukózových strukturních jednotkách celulózy může být vyjádřen procentem hmotnosti nebo průměrným počtem substitučních skupin (tj. DS – stupeň substituce). Počet substitučních skupin určuje vlastnosti CE produktů. Vliv průměrného stupně substituce na rozpustnost produktů etherifikace je následující:

(1) nízký stupeň substituce rozpustný v louhu;

(2) mírně vysoký stupeň substituce rozpustný ve vodě;

(3) vysoký stupeň substituce rozpuštěný v polárních organických rozpouštědlech;

(4) Vyšší stupeň substituce rozpuštěný v nepolárních organických rozpouštědlech.

3. Metoda rozpouštění CE

CE má jedinečnou vlastnost rozpustnosti, když teplota stoupne na určitou teplotu, je nerozpustný ve vodě, ale pod touto teplotou se jeho rozpustnost zvyšuje s poklesem teploty. CE je rozpustný ve studené vodě (a v některých případech ve specifických organických rozpouštědlech) prostřednictvím procesu bobtnání a hydratace. CE roztoky nemají zjevná omezení rozpustnosti, která se objevují při rozpouštění iontových solí. Koncentrace CE je obecně omezena na viskozitu, která může být řízena výrobním zařízením, a také se mění podle viskozity a chemické rozmanitosti požadované uživatelem. Koncentrace roztoku CE s nízkou viskozitou je obecně 10 % ~ 15 % a CE s vysokou viskozitou je obecně omezena na 2 % ~ 3 %. Různé typy CE (jako je prášek nebo povrchově upravený prášek nebo granule) mohou ovlivnit způsob přípravy roztoku.

3.1 CE bez povrchové úpravy

Přestože je CE rozpustný ve studené vodě, musí být zcela dispergován ve vodě, aby se zabránilo shlukování. V některých případech lze k dispergování CE prášku použít vysokorychlostní mixér nebo nálevku ve studené vodě. Pokud se však neošetřený prášek přidá přímo do studené vody bez dostatečného míchání, vytvoří se značné hrudky. Hlavním důvodem spékání je to, že částice prášku CE nejsou zcela mokré. Když se rozpustí pouze část prášku, vytvoří se gelový film, který zabrání tomu, aby se zbývající prášek dále rozpouštěl. Před rozpuštěním by proto částice CE měly být co nejvíce rozptýleny. Běžně se používají následující dvě disperzní metody.

3.1.1 Metoda disperze suché směsi

Tato metoda se nejčastěji používá v cementových výrobcích. Před přidáním vody smíchejte rovnoměrně další prášek s práškem CE, aby se částice prášku CE rozptýlily. Minimální poměr míchání: Jiný prášek: CE prášek = (3 ~ 7) : 1.

Při této metodě je disperze CE dokončena v suchém stavu s použitím jiného prášku jako média pro vzájemné rozptýlení částic CE, aby se zabránilo vzájemnému navázání částic CE při přidávání vody a ovlivnění dalšího rozpouštění. K disperzi tedy není potřeba horká voda, ale rychlost rozpouštění závisí na částicích prášku a podmínkách míchání.

3.1.2 Metoda disperze horkou vodou

(1) První 1/5~1/3 požadovaného ohřevu vody na 90 °C výše, přidejte CE a poté míchejte, dokud se všechny částice nerozptýlí mokré, a poté se přidá zbývající voda ve studené nebo ledové vodě, aby se snížila teplota Jakmile dosáhla teplota rozpouštění CE, prášek začal hydratovat, viskozita se zvýšila.

(2) Můžete také zahřát veškerou vodu a poté přidat CE, aby se míchala za chlazení, dokud není hydratace dokončena. Dostatečné chlazení je velmi důležité pro úplnou hydrataci CE a tvorbu viskozity. Pro ideální viskozitu by měl být roztok MC ochlazen na 0~5°C, zatímco HPMC je třeba pouze ochladit na 20~25°C nebo nižší. Protože plná hydratace vyžaduje dostatečné chlazení, roztoky HPMC se běžně používají tam, kde nelze použít studenou vodu: podle informací má HPMC menší snížení teploty než MC při nižších teplotách, aby bylo dosaženo stejné viskozity. Stojí za zmínku, že metoda disperze horkou vodou pouze způsobí, že částice CE se rovnoměrně rozptýlí při vyšší teplotě, ale v tuto chvíli se netvoří žádný roztok. Aby se získal roztok s určitou viskozitou, musí se znovu ochladit.

3.2 Povrchově upravený dispergovatelný CE prášek

V mnoha případech je požadováno, aby CE měl jak dispergovatelné, tak rychlé hydratační (tvorící viskozitu) vlastnosti ve studené vodě. Povrchově upravený CE je dočasně nerozpustný ve studené vodě po speciální chemické úpravě, která zajišťuje, že když se CE přidá do vody, nevytvoří okamžitě zjevnou viskozitu a může být dispergován za podmínek relativně malé smykové síly. „Doba zpoždění“ hydratace nebo tvorby viskozity je výsledkem kombinace stupně povrchové úpravy, teploty, pH systému a koncentrace roztoku CE. Zpoždění hydratace se obecně snižuje při vyšších koncentracích, teplotách a úrovních pH. Obecně se však koncentrace CE neuvažuje, dokud nedosáhne 5 % (hmotnostní poměr vody).

Pro dosažení nejlepších výsledků a úplné hydratace by měl být povrchově ošetřený CE míchán několik minut za neutrálních podmínek s pH v rozmezí 8,5 až 9,0, dokud není dosaženo maximální viskozity (obvykle 10-30 minut). Jakmile se pH změní na zásadité (pH 8,5 až 9,0), povrchově upravený CE se zcela a rychle rozpustí a roztok může být stabilní při pH 3 až 11. Je však důležité poznamenat, že úprava pH suspenze o vysoké koncentraci způsobí, že viskozita bude příliš vysoká pro čerpání a nalévání. Hodnota pH by měla být upravena poté, co byla suspenze zředěna na požadovanou koncentraci.

Stručně řečeno, proces rozpouštění CE zahrnuje dva procesy: fyzikální disperzi a chemické rozpouštění. Klíčem je dispergovat částice CE mezi sebou před rozpuštěním, aby se zabránilo aglomeraci v důsledku vysoké viskozity během rozpouštění při nízké teplotě, což ovlivní další rozpouštění.

4. Vlastnosti řešení CE

Různé druhy CE vodných roztoků budou gelovatět při svých specifických teplotách. Gel je zcela reverzibilní a po opětovném ochlazení tvoří roztok. Reverzibilní termální gelovatění CE je unikátní. V mnoha cementových výrobcích má hlavní použití viskozity CE a odpovídajících vlastností zadržování vody a lubrikace a viskozity a teploty gelu přímý vztah, pod teplotou gelu, čím nižší je teplota, tím vyšší je viskozita CE, tím lepší je odpovídající schopnost zadržování vody.

Současné vysvětlení fenoménu gelu je toto: v procesu rozpouštění je to podobné

Molekuly polymeru vlákna se spojí s molekulární vrstvou vody, což má za následek bobtnání. Molekuly vody fungují jako mazací olej, který dokáže roztáhnout dlouhé řetězce molekul polymeru, takže roztok má vlastnosti viskózní tekutiny, kterou lze snadno vylévat. Při zvýšení teploty roztoku celulózový polymer postupně ztrácí vodu a viskozita roztoku klesá. Když je dosaženo bodu gelovatění, polymer se zcela dehydratuje, což má za následek spojení mezi polymery a tvorbu gelu: pevnost gelu se stále zvyšuje, když teplota zůstává nad bodem gelu.

Jak se roztok ochladí, gel se začne obracet a viskozita se sníží. Nakonec se viskozita chladicího roztoku vrátí k počáteční křivce nárůstu teploty a roste s poklesem teploty. Roztok může být ochlazen na svou počáteční hodnotu viskozity. Proto je proces tepelného gelu CE reverzibilní.

Hlavní role CE v cementových produktech je jako viskozifikátor, změkčovadlo a činidlo zadržující vodu, takže jak řídit viskozitu a teplotu gelu se stalo důležitým faktorem u cementových produktů, obvykle se používá jeho počáteční bod teploty gelu pod částí křivky, takže čím nižší teplota, tím vyšší viskozita, tím zjevnější je účinek zadržování vody ve viskozifikátoru. Výsledky testů linky na výrobu extruzních cementových desek také ukazují, že čím nižší je teplota materiálu pod stejným obsahem CE, tím lepší je efekt viskosifikace a zadržování vody. Protože cementový systém je extrémně složitý systém fyzikálních a chemických vlastností, existuje mnoho faktorů, které ovlivňují změnu teploty a viskozity CE gelu. A vliv různých trendů a stupňů Taianinu není stejný, takže praktická aplikace také zjistila, že po smíchání cementového systému je skutečný teplotní bod gelu CE (to znamená, že účinek retence lepidla a vody je při této teplotě velmi zřejmý). ) jsou nižší než teplota gelu udávaná produktem, proto je třeba při výběru CE produktů vzít v úvahu faktory způsobující pokles teploty gelu. Níže jsou uvedeny hlavní faktory, které podle našeho názoru ovlivňují viskozitu a teplotu gelu roztoku CE v cementových výrobcích.

4.1 Vliv hodnoty pH na viskozitu

MC a HPMC jsou neiontové, takže viskozita roztoku než viskozita přírodního iontového lepidla má širší rozsah stability DH, ale pokud hodnota pH překročí rozsah 3 ~ 11, budou postupně snižovat viskozitu při při vyšší teplotě nebo při dlouhodobém skladování, zvláště v roztoku s vysokou viskozitou. Viskozita roztoku CE produktu klesá v roztoku silné kyseliny nebo silné zásady, což je způsobeno především dehydratací CE způsobenou zásadou a kyselinou. Viskozita CE proto obvykle v alkalickém prostředí cementových výrobků do určité míry klesá.

4.2 Vliv rychlosti zahřívání a míchání na proces gelu

Teplota bodu gelovatění bude ovlivněna kombinovaným účinkem rychlosti zahřívání a smykové rychlosti míchání. Vysokorychlostní míchání a rychlé zahřívání obecně výrazně zvýší teplotu gelu, což je příznivé pro cementové produkty vytvořené mechanickým mícháním.

4.3 Vliv koncentrace na horký gel

Zvýšení koncentrace roztoku obvykle snižuje teplotu gelu a body gelu s nízkou viskozitou CE jsou vyšší než body s vysokou viskozitou CE. Jako je DOW METHOCEL A

Teplota gelu se sníží o 10 °C na každé 2% zvýšení koncentrace produktu. 2% zvýšení koncentrace produktů typu F sníží teplotu gelu o 4 °C.

4.4 Vliv přísad na tepelnou gelaci

V oblasti stavebních materiálů jsou mnohé materiály anorganické soli, které budou mít významný vliv na teplotu gelu roztoku CE. V závislosti na tom, zda aditivum působí jako koagulant nebo solubilizační činidlo, mohou některá aditiva zvýšit teplotu tepelného gelu CE, zatímco jiná mohou snížit teplotu tepelného gelu CE: například ethanol zlepšující rozpouštědlo, PEG-400 (polyethylenglykol) , anediol atd. mohou zvýšit bod gelu. Soli, glycerin, sorbitol a další látky sníží bod gelovatění, neiontové CE se obecně nevysrážejí v důsledku polyvalentních kovových iontů, ale když koncentrace elektrolytu nebo jiných rozpuštěných látek překročí určitou mez, CE produkty mohou být vysoleny. roztoku, je to způsobeno konkurencí elektrolytů s vodou, což má za následek snížení hydratace CE, Obsah soli v roztoku CE produktu je obecně mírně vyšší než u produktu Mc a obsah soli je mírně odlišný v různých HPMC.

Mnoho přísad v cementových produktech způsobí pokles bodu gelovatění CE, takže výběr přísad by měl brát v úvahu, že to může způsobit změny bodu gelovatění a viskozity CE.

5.Závěr

(1) ether celulózy je přírodní celulóza prostřednictvím etherifikační reakce, má základní strukturní jednotku dehydratovanou glukózu podle typu a počtu substitučních skupin na své náhradní pozici a má různé vlastnosti. Neiontové ethery, jako je MC a HPMC, lze použít jako viskozifikátor, činidlo zadržující vodu, činidlo pro strhávání vzduchu a další široce používané ve výrobcích stavebních materiálů.

(2) CE má jedinečnou rozpustnost, tvoří roztok při určité teplotě (jako je teplota gelu) a tvoří pevný gel nebo směs pevných částic při teplotě gelu. Hlavními metodami rozpouštění jsou disperzní metoda suchého míchání, metoda disperze horké vody atd., v cementových výrobcích se běžně používá metoda disperze míchání za sucha. Klíčem je rovnoměrně rozptýlit CE, než se rozpustí, a vytvořit roztok při nízkých teplotách.

(3) Koncentrace roztoku, teplota, hodnota pH, chemické vlastnosti přísad a rychlost míchání ovlivní teplotu gelu a viskozitu roztoku CE, zejména cementové produkty jsou roztoky anorganických solí v alkalickém prostředí, obvykle snižují teplotu gelu a viskozitu roztoku CE. , přinášející nepříznivé účinky. Podle charakteristik CE by se proto měl za prvé používat při nízké teplotě (pod teplotou gelu) a za druhé by se měl vzít v úvahu vliv přísad.