Vývoj nových HEMC éterů celulózy pro snížení aglomerace v strojně stříkaných omítkách na bázi sádry

Vývoj nových HEMC éterů celulózy pro snížení aglomerace v strojně stříkaných omítkách na bázi sádry

Strojově stříkaná omítka na bázi sádry (GSP) je v západní Evropě široce používána od 70. let 20. století. Vznik mechanického nástřiku účinně zlepšil efektivitu omítání a zároveň snížil stavební náklady. S prohlubující se komercializací GSP se klíčovou přísadou stal ve vodě rozpustný éter celulózy. Celulózový éter poskytuje GSP dobrou schopnost zadržovat vodu, což omezuje absorpci vlhkosti podkladem v omítce, čímž se získá stabilní doba tuhnutí a dobré mechanické vlastnosti. Kromě toho může specifická reologická křivka éteru celulózy zlepšit účinek strojního nástřiku a výrazně zjednodušit následné procesy vyrovnávání a dokončovací malty.

Navzdory zjevným výhodám etherů celulózy v aplikacích GSP může také potenciálně přispívat k tvorbě suchých hrudek při stříkání. Tyto nesmáčené hrudky jsou také známé jako hrudkování nebo spékání a mohou nepříznivě ovlivnit vyrovnání a konečnou úpravu malty. Aglomerace může snížit efektivitu staveniště a zvýšit náklady na vysoce výkonné aplikace sádrových produktů. Abychom lépe porozuměli vlivu éterů celulózy na tvorbu hrudek v GSP, provedli jsme studii, abychom se pokusili identifikovat relevantní parametry produktu, které ovlivňují jejich tvorbu. Na základě výsledků této studie jsme vyvinuli řadu produktů éterů celulózy se sníženou tendencí k aglomeraci a vyhodnotili je v praktických aplikacích.

klíčová slova: ether celulózy; sádrové strojní nástřikové omítky; rychlost rozpouštění; morfologie částic

1. Zavedení

Ve vodě rozpustné étery celulózy byly úspěšně použity v strojně stříkaných omítkách na bázi sádry (GSP) pro regulaci potřeby vody, zlepšení zadržování vody a zlepšení reologických vlastností malt. Pomáhá tedy zlepšit vlastnosti mokré malty a tím zajistit požadovanou pevnost malty. Díky svým komerčně životaschopným a ekologickým vlastnostem se suchá směs GSP za posledních 20 let stala široce používaným interiérovým stavebním materiálem v celé Evropě.

Stroje pro míchání a rozprašování suchých směsí GSP jsou úspěšně komercializovány po desetiletí. I když se některé technické vlastnosti zařízení od různých výrobců liší, všechny komerčně dostupné stříkací stroje umožňují velmi omezenou dobu míchání, kdy se voda smísí se sádrovou suchou maltou obsahující éter celulózy. Obecně platí, že celý proces míchání trvá jen několik sekund. Po promíchání se vlhká malta čerpá přes výtlačnou hadici a nastříká na stěnu podkladu. Celý proces je dokončen během minuty. V tak krátkém časovém období je však nutné zcela rozpustit ethery celulózy, aby se v aplikaci plně rozvinuly jejich vlastnosti. Přidání jemně mletých produktů éteru celulózy do sádrových malt zajišťuje úplné rozpuštění během tohoto procesu stříkání.

Jemně mletý éter celulózy rychle získá konzistenci při kontaktu s vodou během míchání v rozprašovači. Rychlý nárůst viskozity způsobený rozpouštěním éteru celulózy způsobuje problémy se současným smáčením částic sádrového cementového materiálu vodou. Jakmile voda začne houstnout, stává se méně tekutou a nemůže proniknout do malých pórů mezi částicemi sádry. Po zablokování přístupu k pórům se zpomalí proces smáčení částic cementového materiálu vodou. Doba míchání v rozprašovači byla kratší než doba potřebná k úplnému smáčení částic sádry, což vedlo k tvorbě shluků suchého prášku v čerstvé vlhké maltě. Jakmile se tyto hrudky vytvoří, brzdí efektivitu pracovníků v následných procesech: vyrovnávání malty s hrudkami je velmi problematické a zabere více času. I po ztuhnutí malty se mohou objevit původně vytvořené hrudky. Například zakrytí shluků uvnitř během stavby povede v pozdější fázi ke vzniku tmavých oblastí, které nechceme vidět.

Přestože se ethery celulózy jako přísady v GSP používají již řadu let, jejich vliv na tvorbu nesmáčených hrudek nebyl dosud příliš studován. Tento článek představuje systematický přístup, který lze použít k pochopení hlavní příčiny aglomerace z pohledu éteru celulózy.

2. Důvody pro tvorbu nesmáčených shluků v GSP

2.1 Vlhčení omítek na bázi sádry

V raných fázích vytváření výzkumného programu byla shromážděna řada možných základních příčin tvorby shluků v CSP. Dále se pomocí počítačově podporované analýzy problém zaměřuje na to, zda existuje praktické technické řešení. Těmito pracemi bylo předběžně vytipováno optimální řešení tvorby aglomerátů v GSP. Technická cesta změny smáčení částic sádry povrchovou úpravou je z technických i obchodních hledisek vyloučena. Z obchodního hlediska je vyloučena myšlenka nahrazení stávajícího zařízení stříkacím zařízením se speciálně navrženou míchací komorou, která dokáže zajistit dostatečné promíchání vody a malty.

Další možností je použití smáčedel jako přísad do sádrových omítek a na to jsme již našli patent. Přídavek této přísady však nevyhnutelně negativně ovlivňuje zpracovatelnost omítky. Důležitější je, že mění fyzikální vlastnosti malty, zejména tvrdost a pevnost. Takže jsme se do toho moc nepouštěli. Kromě toho se má za to, že přidání smáčedel může mít nepříznivý dopad na životní prostředí.

Vzhledem k tomu, že éter celulózy je již součástí složení omítky na bázi sádry, optimalizace samotného éteru celulózy se stává nejlepším řešením, které lze zvolit. Zároveň nesmí ovlivnit vlastnosti zadržování vody nebo nepříznivě ovlivnit reologické vlastnosti omítky při použití. Na základě dříve navržené hypotézy, že generování nesmáčených prášků v GSP je způsobeno nadměrně rychlým zvýšením viskozity etherů celulózy po kontaktu s vodou během míchání, se hlavním cílem naší studie stala kontrola vlastností rozpouštění etherů celulózy. .

2.2 Doba rozpouštění éteru celulózy

Snadný způsob, jak zpomalit rychlost rozpouštění etherů celulózy, je použití produktů granulované kvality. Hlavní nevýhodou použití tohoto přístupu v GSP je to, že částice, které jsou příliš hrubé, se během krátkého 10sekundového protřepávacího okna v postřikovači úplně nerozpustí, což vede ke ztrátě zadržování vody. Navíc bobtnání nerozpuštěného éteru celulózy v pozdější fázi povede k zahuštění po omítce a ovlivní výkon konstrukce, což nechceme vidět.

Další možností, jak snížit rychlost rozpouštění etherů celulózy, je reverzibilní zesíťování povrchu etherů celulózy s glyoxalem. Protože je však síťovací reakce řízena pH, je rychlost rozpouštění etherů celulózy vysoce závislá na pH okolního vodného roztoku. Hodnota pH systému GSP smíchaného s hašeným vápnem je velmi vysoká a zesíťující vazby glyoxalu na povrchu se po kontaktu s vodou rychle otevřou a viskozita začne okamžitě stoupat. Proto takové chemické úpravy nemohou hrát roli při řízení rychlosti rozpouštění v GSP.

Doba rozpouštění etherů celulózy také závisí na morfologii jejich částic. Této skutečnosti však zatím nebyla věnována příliš velká pozornost, i když efekt je velmi výrazný. Mají konstantní lineární rychlost rozpouštění [kg/(m2•s)], takže jejich rozpuštění a nárůst viskozity jsou úměrné dostupnému povrchu. Tato rychlost se může významně měnit se změnami v morfologii celulózových částic. V našich výpočtech se předpokládá, že plné viskozity (100 %) je dosaženo po 5 sekundách míchání mícháním.

Výpočty různých morfologií částic ukázaly, že kulovité částice měly viskozitu 35 % konečné viskozity při polovině doby míchání. Ve stejném časovém období mohou tyčinkovité částice éteru celulózy dosáhnout pouze 10 %. Diskovité částice se teprve poté začaly rozpouštět2,5 sekundy.

Zahrnuty jsou také ideální charakteristiky rozpustnosti pro ethery celulózy v GSP. Odložte počáteční nárůst viskozity o více než 4,5 sekundy. Potom se viskozita rychle zvyšovala, aby se dosáhlo konečné viskozity během 5 sekund po míchání. V GSP tak dlouhá doba zpožděného rozpouštění umožňuje systému mít nízkou viskozitu a přidaná voda může zcela smáčet částice sádry a bez narušení vstoupit do pórů mezi částicemi.

3. Částicová morfologie etheru celulózy

3.1 Měření morfologie částic

Vzhledem k tomu, že tvar částic éteru celulózy má tak významný vliv na rozpustnost, je nejprve nutné určit parametry popisující tvar částic éteru celulózy a poté identifikovat rozdíly mezi nesmáčivostí Tvorba aglomerátů je zvláště relevantní parametr .

Pomocí techniky dynamické analýzy obrazu jsme získali morfologii částic etheru celulózy. Morfologii částic éterů celulózy lze plně charakterizovat pomocí digitálního analyzátoru obrazu SYMPATEC (vyrobeno v Německu) a specifických softwarových analytických nástrojů. Nejdůležitějšími parametry tvaru částic byly průměrná délka vláken vyjádřená jako LEFI(50,3) a průměrný průměr vyjádřený jako DIFI(50,3). Údaje o průměrné délce vlákna jsou považovány za celou délku určité rozprostřené částice éteru celulózy.

Obvykle lze data o distribuci velikosti částic, jako je průměrný průměr vlákna DIFI, vypočítat na základě počtu částic (označeno 0), délky (označeno 1), plochy (označeno 2) nebo objemu (označeno 3). Všechna měření dat částic v tomto dokumentu jsou založena na objemu a jsou proto označena příponou 3. Například v DIFI(50,3) 3 znamená distribuci objemu a 50 znamená, že 50 % křivky distribuce velikosti částic je menších než uvedená hodnota a zbývajících 50 % je větších než uvedená hodnota. Údaje o tvaru částic etheru celulózy jsou uvedeny v mikrometrech (µm).

3.2 Ether celulózy po optimalizaci morfologie částic

Vezmeme-li v úvahu vliv povrchu částic, doba rozpouštění částic éteru celulózy s tyčovitým tvarem částic silně závisí na průměrném průměru vlákna DIFI (50,3). Na základě tohoto předpokladu byly vývojové práce na etherech celulózy zaměřeny na získání produktů s větším průměrným průměrem vlákna DIFI (50,3) pro zlepšení rozpustnosti prášku.

Neočekává se však, že by zvýšení průměrné délky vlákna DIFI(50,3) bylo doprovázeno zvýšením průměrné velikosti částic. Společné zvýšení obou parametrů povede k částicím, které jsou příliš velké na to, aby se úplně rozpustily během typické 10sekundové doby míchání mechanického rozprašování.

Ideální hydroxyethylmethylcelulóza (HEMC) by proto měla mít větší průměrný průměr vlákna DIFI(50,3) při zachování průměrné délky vlákna LEFI(50,3). K výrobě vylepšeného HEMC používáme nový výrobní proces éteru celulózy. Tvar částic ve vodě rozpustného etheru celulózy získaného tímto výrobním procesem je zcela odlišný od tvaru částic celulózy použité jako surovina pro výrobu. Jinými slovy, výrobní proces umožňuje, aby tvar částic éteru celulózy byl nezávislý na jeho výrobních surovinách.

Tři snímky z rastrovacího elektronového mikroskopu: jeden z éteru celulózy vyrobený standardním procesem a jeden z éteru celulózy vyrobený novým procesem s větším průměrem DIFI (50,3) než běžné produkty procesních nástrojů. Také je ukázána morfologie jemně mleté ​​celulózy použité při výrobě těchto dvou produktů.

Porovnáním elektronových mikrografů celulózy a éteru celulózy vyrobených standardním postupem je snadné zjistit, že tyto dva mají podobné morfologické vlastnosti. Velký počet částic na obou snímcích vykazuje typicky dlouhé tenké struktury, což naznačuje, že základní morfologické rysy se nezměnily ani po chemické reakci. Je zřejmé, že charakteristiky morfologie částic reakčních produktů vysoce korelují se surovinami.

Bylo zjištěno, že morfologické vlastnosti éteru celulózy vyrobeného novým postupem jsou výrazně odlišné, má větší průměrný průměr DIFI (50,3) a hlavně má kulaté krátké a tlusté tvary částic, zatímco typické tenké a dlouhé částice v celulózových surovinách Téměř vyhynul.

Tento obrázek opět ukazuje, že morfologie částic éterů celulózy vyrobených novým procesem již nesouvisí s morfologií suroviny celulózy – vazba mezi morfologií suroviny a konečným produktem již neexistuje.

4. Vliv morfologie částic HEMC na tvorbu nesmáčených shluků v GSP

GSP byl testován za podmínek polní aplikace, aby se ověřilo, že naše hypotéza o pracovním mechanismu (že použití produktu éteru celulózy s větším středním průměrem DIFI (50,3) by snížilo nežádoucí aglomeraci) byla správná. V těchto experimentech byly použity HEMC se středními průměry DIFI(50,3) v rozmezí od 37 um do 52 um. Aby se minimalizoval vliv jiných faktorů než je morfologie částic, základ sádrové omítky a všechny ostatní přísady zůstaly nezměněny. Viskozita etheru celulózy byla během testu udržována konstantní (60 000 mPa.s, 2% vodný roztok, měřeno pomocí reometru HAAKE).

Pro nástřik v aplikačních zkouškách byl použit komerčně dostupný rozprašovač na sádru (PFT G4). Zaměřte se na vyhodnocení tvorby nenavlhčených shluků sádrové malty ihned po jejím nanesení na stěnu. Posouzení shlukování v této fázi během procesu nanášení omítky nejlépe odhalí rozdíly ve výkonu produktu. V testu zkušení pracovníci hodnotili situaci shlukování, přičemž 1 byla nejlepší a 6 nejhorší.

Výsledky testu jasně ukazují korelaci mezi průměrným průměrem vlákna DIFI (50,3) a skóre výkonnosti shlukování. V souladu s naší hypotézou, že produkty éteru celulózy s větším DIFI(50,3) překonaly menší produkty DIFI(50,3), průměrné skóre pro DIFI(50,3) 52 µm bylo 2 (dobré), zatímco produkty s DIFI( 50,3) z 37 um a 40 um skóre 5 (selhání).

Jak jsme očekávali, shlukování v aplikacích GSP významně závisí na průměrném průměru DIFI(50,3) použitého etheru celulózy. Navíc bylo v předchozí diskusi zmíněno, že mezi všemi morfologickými parametry DIFI(50,3) silně ovlivnil dobu rozpouštění prášků etheru celulózy. To potvrzuje, že doba rozpouštění éteru celulózy, která vysoce koreluje s morfologií částic, nakonec ovlivňuje tvorbu shluků v GSP. Větší DIFI (50,3) způsobuje delší dobu rozpouštění prášku, což výrazně snižuje možnost aglomerace. Příliš dlouhá doba rozpouštění prášku však znesnadní úplné rozpuštění etheru celulózy během doby míchání rozprašovacího zařízení.

Nový produkt HEMC s optimalizovaným profilem rozpouštění díky většímu průměrnému průměru vlákna DIFI(50,3) má nejen lepší smáčení sádrového prášku (jak je vidět z hodnocení shlukování), ale také neovlivňuje schopnost zadržovat vodu. produkt. Retence vody měřená podle EN 459-2 byla k nerozeznání od produktů HEMC o stejné viskozitě s DIFI(50,3) od 37 µm do 52 µm. Všechna měření po 5 minutách a 60 minutách spadají do požadovaného rozsahu uvedeného v grafu.

Bylo však také potvrzeno, že pokud se DIFI(50,3) stane příliš velkým, částice éteru celulózy se již zcela nerozpustí. To bylo zjištěno při testování DIFI(50,3) 59 uM produktu. Výsledky jeho testu zadržování vody po 5 minutách a zejména po 60 minutách nesplnily požadované minimum.

5. Shrnutí

Ethery celulózy jsou důležitými přísadami v přípravcích GSP. Výzkum a vývoj produktů se zde zaměřuje na korelaci mezi morfologií částic etherů celulózy a tvorbou nesmáčivých shluků (tzv. shlukování) při mechanickém nástřiku. Vychází se z předpokladu pracovního mechanismu, že doba rozpouštění prášku éteru celulózy ovlivňuje smáčení sádrového prášku vodou a tím ovlivňuje tvorbu hrudek.

Doba rozpouštění závisí na morfologii částic etheru celulózy a lze ji získat pomocí nástrojů digitální analýzy obrazu. V GSP mají ethery celulózy s velkým průměrným průměrem DIFI (50,3) optimalizované charakteristiky rozpouštění prášku, což umožňuje vodě více času na důkladné smáčení sádrových částic, což umožňuje optimální antiaglomeraci. Tento typ éteru celulózy se vyrábí pomocí nového výrobního procesu a jeho částicová forma nezávisí na původní formě suroviny pro výrobu.

Střední průměr vlákna DIFI (50,3) má velmi důležitý vliv na hrudkování, což bylo ověřeno přidáním tohoto produktu do komerčně dostupného strojně stříkaného sádrového základu pro nástřik na místě. Kromě toho tyto polní testy postřiku potvrdily naše laboratorní výsledky: nejvýkonnější produkty éteru celulózy s velkým DIFI (50,3) byly zcela rozpustné v časovém okně GSP míchání. Proto si produkt éteru celulózy s nejlepšími protispékacími vlastnostmi po zlepšení tvaru částic stále zachovává původní schopnost zadržovat vodu.