Vliv okolní teploty na zpracovatelnost sádry modifikované éterem celulózy

Výkon sádry modifikované celulózovým etherem při různých okolních teplotách je velmi odlišný, ale jeho mechanismus není jasný. Byly studovány účinky etheru celulózy na reologické parametry a retenci vody sádrové kaše při různých teplotách okolí. Hydrodynamický průměr etheru celulózy v kapalné fázi byl měřen metodou dynamického rozptylu světla a byl zkoumán mechanismus vlivu. Výsledky ukazují, že éter celulózy má na sádru dobrý účinek zadržování vody a zahušťování. Se zvyšujícím se obsahem etheru celulózy se zvyšuje viskozita suspenze a zvyšuje se schopnost zadržovat vodu. S nárůstem teploty však do určité míry klesá schopnost zadržování vody u modifikované sádrové kaše a mění se i reologické parametry. Vzhledem k tomu, že koloidní asociace éteru celulózy může dosáhnout retence vody zablokováním vodního transportního kanálu, může nárůst teploty vést k rozpadu asociace velkého objemu produkovaného éterem celulózy, čímž se sníží zadržování vody a pracovní výkonnost modifikované sádry.

klíčová slova:sádra; ether celulózy; Teplota; zadržování vody; reologie

0. Úvod

Sádra, jako druh materiálu šetrného k životnímu prostředí s dobrými stavebními a fyzikálními vlastnostmi, je široce používán v dekoračních projektech. Při aplikaci materiálů na bázi sádry se obvykle přidává činidlo zadržující vodu, aby se upravila kaše, aby se zabránilo ztrátě vody v procesu hydratace a tuhnutí. Éter celulózy je v současnosti nejběžnějším prostředkem zadržujícím vodu. Protože iontový CE bude reagovat s Ca2+, často používejte neiontový CE, jako jsou: ether hydroxypropyl methyl celulózy, ether hydroxyethyl methyl celulózy a ether methyl celulózy. Je důležité studovat vlastnosti sádry modifikované celulózovým etherem pro lepší aplikaci sádry v dekoračním inženýrství.

Ether celulózy je vysokomolekulární sloučenina produkovaná reakcí alkalické celulózy a etherifikačního činidla za určitých podmínek. Neiontový ether celulózy používaný ve stavebním inženýrství má dobrou disperzi, zadržování vody, lepení a zahušťování. Přídavek éteru celulózy má velmi zřejmý vliv na zadržování vody v sádrovce, ale pevnost v ohybu a v tlaku sádrového tvrzeného tělesa také mírně klesá s rostoucím množstvím přísady. Je tomu tak proto, že éter celulózy má určitý efekt strhávání vzduchu, který vnáší do procesu míchání kaše bubliny, čímž se snižují mechanické vlastnosti tvrzeného tělesa. Zároveň příliš mnoho éteru celulózy způsobí, že sádrová směs bude příliš lepkavá, což má za následek její konstrukční výkon.

Proces hydratace sádry lze rozdělit do čtyř kroků: rozpuštění hemihydrátu síranu vápenatého, krystalizační nukleace dihydrátu síranu vápenatého, růst krystalického jádra a tvorba krystalické struktury. V procesu hydratace sádry hydrofilní funkční skupina éteru celulózy adsorbující se na povrchu částic sádry fixuje část molekul vody a tím zpomaluje nukleační proces hydratace sádry a prodlužuje dobu tuhnutí sádry. Prostřednictvím SEM pozorování Mroz zjistil, že přítomnost éteru celulózy sice zpomalila růst krystalů, ale zvýšila překrytí a agregaci krystalů.

Éter celulózy obsahuje hydrofilní skupiny, takže má určitou hydrofilitu, polymer dlouhý řetězec se vzájemně propojuje, takže má vysokou viskozitu, vzájemná interakce těchto dvou způsobuje, že celulóza má dobrý vodozadržovací zahušťovací účinek na sádrovou směs. Bulichen vysvětlil mechanismus zadržování vody éterem celulózy v cementu. Při nízkém míchání se éter celulózy adsorbuje na cement pro intramolekulární absorpci vody a je doprovázen bobtnáním, aby se dosáhlo retence vody. V této době je retence vody špatná. Vysoká dávka éteru celulózy vytvoří stovky nanometrů až několik mikronů koloidního polymeru, účinně blokuje gelový systém v otvoru, aby se dosáhlo účinné zadržování vody. Mechanismus působení éteru celulózy v sádře je stejný jako v cementu, ale vyšší koncentrace SO42- v tekuté fázi sádrové kaše oslabí účinek celulózy na zadržování vody.

Na základě výše uvedeného obsahu lze konstatovat, že současný výzkum sádry modifikované éterem celulózy se nejvíce zaměřuje na proces hydratace éteru celulózy na sádrové směsi, vlastnosti zadržování vody, mechanické vlastnosti a mikrostrukturu vytvrzeného tělesa a mechanismus éteru celulózy zadržování vody. Studie o interakci mezi éterem celulózy a sádrovou kaší při vysoké teplotě je však stále nedostatečná. Vodný roztok etheru celulózy bude želatinovat při specifické teplotě. Se zvyšující se teplotou bude viskozita vodného roztoku etheru celulózy postupně klesat. Když je dosaženo teploty želatinace, ether celulózy se vysráží do bílého gelu. Například při letní výstavbě je okolní teplota vysoká, vlastnosti tepelného gelu éteru celulózy nutně vedou ke změnám zpracovatelnosti modifikované sádrové kaše. Tato práce zkoumá vliv zvýšení teploty na zpracovatelnost sádrového materiálu modifikovaného éterem celulózy prostřednictvím systematických experimentů a poskytuje návod pro praktickou aplikaci sádry modifikované éterem celulózy.

1. Experiment

1.1 Suroviny

Sádra je přírodní stavební sádra typu β poskytovaná společností Beijing Ecological Home Group.

Ether celulózy vybraný z etheru hydroxypropylmethylcelulózy Shandong Yiteng Group, specifikace produktu pro 75 000 mPa.s, 100 000 mPa.s a 200 000 mPa.s, teplota gelovatění nad 60 °C. Kyselina citronová byla vybrána jako retardér sádry.

1.2 Reologický test

Použitým reologickým testovacím přístrojem byl reometr RST⁃CC vyrobený společností BROOKFIELD USA. Reologické parametry jako plastická viskozita a smykové napětí sádrové kaše byly stanoveny pomocí MBT⁃40F⁃0046 nádoby na vzorky a CC3⁃40 rotoru a data byla zpracována softwarem RHE3000.

Charakteristiky sádrové směsi odpovídají reologickému chování Binghamovy tekutiny, které se obvykle studuje pomocí Binghamova modelu. Avšak vzhledem k pseudoplasticitě etheru celulózy přidávaného do polymerem modifikované sádry má suspenzní směs obvykle určitou vlastnost smykového ztenčování. V tomto případě může modifikovaný Binghamův (M⁃B) model lépe popsat reologickou křivku sádry. Pro studium smykové deformace sádrovce tato práce také používá Herschel⁃Bulkley (H⁃B) model.

1.3 Test retence vody

Zkušební postup viz GB/T28627⁃2012 Omítací omítka. Během experimentu s teplotou jako proměnnou byla sádra 1 hodinu předem předehřátá na odpovídající teplotu v peci a smíšená voda použitá v experimentu byla předehřívána 1 hodinu na odpovídající teplotu ve vodní lázni s konstantní teplotou a použitý přístroj byla předehřátá.

1.4 Zkouška hydrodynamického průměru

Hydrodynamický průměr (D50) asociace HPMC polymeru v kapalné fázi byl měřen pomocí analyzátoru velikosti částic s dynamickým rozptylem světla (Malvern Zetasizer NanoZS90).

2. Výsledky a diskuse

2.1 Reologické vlastnosti HPMC modifikované sádry

Zdánlivá viskozita je poměr smykového napětí ke smykové rychlosti působící na tekutinu a je parametrem pro charakterizaci toku nenewtonských tekutin. Zdánlivá viskozita modifikované sádrové kaše se měnila s obsahem etheru celulózy podle tří různých specifikací (75 000 mPa.s, 100 000 mPa.s a 200 000 mPa.s). Zkušební teplota byla 20 ℃. Když je smyková rychlost reometru 14 min-1, lze zjistit, že viskozita sádrové kaše se zvyšuje se zvyšujícím se začleněním HPMC, a čím vyšší je viskozita HPMC, tím vyšší bude viskozita modifikované sádrové kaše. To ukazuje, že HPMC má zjevný účinek zahušťování a viskosifikace na sádrovou kaši. Sádrová kaše a éter celulózy jsou látky s určitou viskozitou. V modifikované sádrové směsi se éter celulózy adsorbuje na povrch sádrových hydratačních produktů a síť tvořená éterem celulózy a síť tvořená sádrovou směsí se proplétají, což má za následek „superpoziční efekt“, který výrazně zlepšuje celkovou viskozitu modifikovaný materiál na bázi sádry.

Křivky smykového napětí čisté sádry (G⁃H) a modifikované sádrové pasty (G⁃H) dopované 75000 mPa· s-HPMC, jak jsou odvozeny z revidovaného Binghamského (M⁃B) modelu. Lze zjistit, že se zvýšením smykové rychlosti roste i smykové napětí směsi. Získají se hodnoty plastické viskozity (ηp) a smykového napětí (τ0) čisté sádry a HPMC modifikované sádry při různých teplotách.

Z hodnot plastické viskozity (ηp) a meze kluzu (τ0) čisté sádry a sádry modifikované HPMC při různých teplotách lze vidět, že mez kluzu modifikované sádry HPMC bude se zvyšováním teploty plynule klesat a mez kluzu stres se sníží o 33 % při 60 ℃ ve srovnání s 20 ℃. Pozorováním křivky plastické viskozity lze zjistit, že plastická viskozita modifikované sádrové kaše také klesá s nárůstem teploty. Mez kluzu a plastická viskozita čisté sádrové kaše se však s nárůstem teploty mírně zvyšuje, což ukazuje, že změna reologických parametrů sádrové kaše modifikované HPMC v procesu zvyšování teploty je způsobena změnou vlastností HPMC.

Hodnota meze kluzu sádrové kaše odráží maximální hodnotu smykového napětí, když kaše odolává smykové deformaci. Čím vyšší je hodnota meze kluzu, tím stabilnější může být sádrový kal. Plastická viskozita odráží rychlost deformace sádrové kaše. Čím větší je plastická viskozita, tím delší bude doba smykové deformace suspenze. Závěrem lze říci, že dva reologické parametry sádrové kaše modifikované HPMC klesají zjevně se zvyšováním teploty a zahušťovací účinek HPMC na sádrovou kaši je oslaben.

Smyková deformace suspenze se týká smykového zahušťování nebo efektu smykového ztenčování, které se odráží od suspenze, když je vystavena smykové síle. Účinek smykové deformace suspenze může být posuzován pomocí pseudoplastického indexu n získaného z prokládací křivky. Když n < 1, sádrová kaše vykazuje smykové ztenčení a stupeň smykového zředění sádrové kaše se zvyšuje s poklesem n. Když n > 1, sádrová suspenze vykazovala smykové zahušťování a stupeň smykového zahušťování sádrové suspenze se zvyšoval se zvýšením n. Reologické křivky sádrové kaše modifikované HPMC při různých teplotách založené na proložení modelu Herschel⁃Bulkley (H⁃B) tak získaly pseudoplastický index n sádrové kaše modifikované HPMC.

Podle pseudoplastického indexu n sádrové kaše modifikované HPMC je smyková deformace sádrové kaše smíchané s HPMC smykové řídnutí a hodnota n se postupně zvyšuje se zvyšováním teploty, což naznačuje, že chování sádrové kaše modifikované HPMC ve smyku bude být do určité míry oslaben při ovlivnění teplotou.

Na základě zjevných změn viskozity modifikované sádrové kaše se smykovou rychlostí vypočtenou z dat smykového napětí 75 000 mPa· HPMC při různých teplotách lze zjistit, že plastická viskozita modifikované sádrové kaše rychle klesá se zvýšením smykové rychlosti, která ověřuje výsledek fitování H⁃B modelu. Modifikovaná sádrová kaše vykazovala charakteristiky smykového ztenčování. Se zvyšováním teploty se zdánlivá viskozita směsi do určité míry snižuje při nízké smykové rychlosti, což ukazuje, že efekt smykového ztenčování modifikované sádrové kaše je oslaben.

Při skutečném použití sádrového tmelu se vyžaduje, aby se sádrová kaše snadno deformovala v procesu tření a aby zůstala stabilní v klidu, což vyžaduje, aby sádrová kaše měla dobré vlastnosti ztenčení ve smyku, a změna smyku u sádry modifikované HPMC je vzácná. do určité míry, což neprospívá konstrukci sádrových materiálů. Viskozita HPMC je jedním z důležitých parametrů a také hlavním důvodem, proč hraje roli zahušťování pro zlepšení proměnných charakteristik směšovacího toku. Samotný éter celulózy má vlastnosti horkého gelu, viskozita jeho vodného roztoku se zvyšováním teploty postupně klesá a při dosažení teploty gelovatění se vysráží bílý gel. Změna reologických parametrů sádry modifikované éterem celulózy s teplotou úzce souvisí se změnou viskozity, protože zahušťovací efekt je výsledkem superpozice éteru celulózy a směsné suspenze. V praktickém inženýrství by měl být zvážen vliv okolní teploty na výkon HPMC. Například teplota surovin by měla být řízena při vysoké teplotě v létě, aby se zabránilo špatnému pracovnímu výkonu modifikované sádry způsobené vysokou teplotou.

2.2 Zadržování vodyHPMC modifikovaná sádra

Zadržování vody v sádrové kaši modifikované třemi různými specifikacemi etheru celulózy se mění s křivkou dávkování. Se zvýšením dávky HPMC se míra zadržování vody v sádrové kaši výrazně zlepší a trend nárůstu se ustálí, když dávka HPMC dosáhne 0,3 %. Konečně, míra zadržování vody v sádrové kaši je stabilní na 90 % ~ 95 %. To ukazuje, že HPMC má zřejmý účinek na zadržování vody na pastě kamínků, ale účinek zadržování vody se významně nezlepšuje, protože se dávka stále zvyšuje. Tři specifikace rozdílu rychlosti zadržování vody HPMC nejsou velké, například když je obsah 0,3 %, rozsah míry zadržování vody je 5 %, standardní odchylka je 2,2. HPMC s nejvyšší viskozitou není nejvyšší mírou zadržování vody a HPMC s nejnižší viskozitou není nejnižší mírou zadržování vody. Ve srovnání s čistou sádrou se však míra zadržování vody u tří HPMC pro sádrovou kaši výrazně zlepšila a míra zadržování vody u modifikované sádry s obsahem 0,3 % se zvýšila o 95 %, 106 %, 97 % ve srovnání s prázdná kontrolní skupina. Ether celulózy může zjevně zlepšit zadržování vody v sádrové kaši. Se zvyšováním obsahu HPMC se míra retence vody u sádrové kaše modifikované HPMC s různou viskozitou postupně dostává k bodu nasycení. 10 000 mPa.sHPMC dosáhlo bodu nasycení při 0,3 %, 75 000 mPa.s a 20 000 mPa.s HPMC dosáhlo bodu nasycení při 0,2 %. Výsledky ukazují, že retence vody 75000 mPa·s HPMC modifikované sádry se mění s teplotou při různém dávkování. S poklesem teploty se míra zadržování vody u HPMC modifikované sádry postupně snižuje, zatímco míra zadržování vody u čisté sádry zůstává v podstatě nezměněna, což ukazuje, že zvýšení teploty oslabuje účinek HPMC na zadržování vody na sádru. Míra zadržování vody HPMC se snížila o 31,5 %, když se teplota zvýšila z 20 ℃ na 40 ℃. Když teplota stoupne ze 40 °C na 60 °C, míra zadržování vody u HPMC modifikované sádry je v zásadě stejná jako u čisté sádry, což ukazuje, že HPMC v tuto chvíli ztratilo účinek na zlepšení zadržování vody u sádry. Jian Jian a Wang Peiming navrhli, že samotný éter celulózy má fenomén tepelného gelu, změna teploty povede ke změnám viskozity, morfologie a adsorpce éteru celulózy, což nutně povede ke změnám ve výkonu suspenzní směsi. Bulichen také zjistil, že dynamická viskozita cementových roztoků obsahujících HPMC klesala s rostoucí teplotou.

Změna retence vody ve směsi způsobená zvýšením teploty by měla být kombinována s mechanismem éteru celulózy. Bulichen vysvětlil mechanismus, kterým éter celulózy může zadržovat vodu v cementu. V systémech na bázi cementu HPMC zlepšuje míru zadržování vody v kaši snížením propustnosti „filtračního koláče“ vytvořeného cementovacím systémem. Určitá koncentrace HPMC v kapalné fázi vytvoří několik set nanometrů až několik mikronů koloidní asociace, to má určitý objem polymerní struktury, může účinně ucpat kanál pro přenos vody ve směsi, snížit propustnost „filtračního koláče“, k dosažení účinného zadržování vody. Bulichen také ukázal, že HPMCS v sádře vykazuje stejný mechanismus. Proto studium hydromechanického průměru asociace tvořené HPMC v kapalné fázi může vysvětlit účinek HPMC na zadržování vody sádrovcem.

2.3 Hydrodynamický průměr asociace koloidů HPMC

Křivky distribuce částic různých koncentrací 75000 mPa·s HPMC v kapalné fázi a křivky distribuce částic tří specifikací HPMC v kapalné fázi při koncentraci 0,6 %. Z křivky distribuce částic HPMC tří specifikací v kapalné fázi, když je koncentrace 0,6 %, lze vidět, že se zvýšením koncentrace HPMC se také zvyšuje velikost částic souvisejících sloučenin vytvořených v kapalné fázi. Když je koncentrace nízká, částice vytvořené agregací HPMC jsou malé a pouze malá část HPMC agreguje do částic o velikosti přibližně 100 nm. Když je koncentrace HPMC 1 %, existuje velký počet koloidních asociací s hydrodynamickým průměrem asi 300 nm, což je důležitý znak molekulárního překrývání. Tato „velkoobjemová“ polymerační struktura může účinně blokovat kanál pro přenos vody ve směsi, snížit „propustnost koláče“ a odpovídající retence vody v sádrové směsi při této koncentraci je také větší než 90 %. Hydromechanické průměry HPMC s různými viskozitami v kapalné fázi jsou v zásadě stejné, což vysvětluje podobnou rychlost zadržování vody u HPMC modifikované sádrové kaše s různými viskozitami.

Distribuční křivky velikosti částic 75000 mPa·s HPMC s 1% koncentrací při různých teplotách. S nárůstem teploty lze evidentně nalézt rozklad HPMC koloidní asociace. Při 40℃ velký objem 300nm asociace zcela zmizel a rozložil se na částice s malým objemem 15nm. S dalším zvyšováním teploty se HPMC stávají menšími částicemi a zadržování vody v sádrové kaši je zcela ztraceno.

Fenomén vlastností HPMC měnících se s nárůstem teploty je také známý jako vlastnosti horkého gelu, stávající běžný názor je, že při nízké teplotě se makromolekuly HPMC nejprve dispergují ve vodě, aby se rozpustily roztok, molekuly HPMC ve vysoké koncentraci vytvoří asociaci velkých částic. . Když teplota stoupá, hydratace HPMC se oslabuje, voda mezi řetězci se postupně vypouští, velké asociační sloučeniny se postupně dispergují na malé částice, viskozita roztoku klesá a při gelaci se vytváří trojrozměrná síťová struktura. Teplota se dosáhne a vysráží se bílý gel.

Bodvik zjistil, že se změnila mikrostruktura a adsorpční vlastnosti HPMC v kapalné fázi. V kombinaci s Bulichenovou teorií HPMC koloidní asociace blokující transportní kanál suspenzní vody byl učiněn závěr, že zvýšení teploty vedlo k rozpadu HPMC koloidní asociace, což má za následek snížení retence vody modifikované sádry.

3. Závěr

(1) Samotný éter celulózy má vysokou viskozitu a „překrývající se“ účinek se sádrovou kaší, což má zjevný zahušťovací účinek. Při pokojové teplotě je zahušťovací účinek zřetelnější se zvýšením viskozity a dávkováním éteru celulózy. S rostoucí teplotou však klesá viskozita éteru celulózy, slábne jeho zahušťovací účinek, klesá smykové napětí a plastická viskozita sádrové směsi, slábne pseudoplasticita a zhoršuje se konstrukční vlastnost.

(2) Éter celulózy zlepšil zadržování vody v sádrovce, ale se zvýšením teploty se zadržování vody u modifikované sádry také výrazně snížilo, dokonce i při 60 °C zcela ztratí účinek zadržování vody. Rychlost retence vody v sádrové kaši byla významně zlepšena etherem celulózy a rychlost retence vody v HPMC modifikované sádrové kaši s různou viskozitou postupně dosáhla bodu nasycení se zvyšováním dávky. Zadržování vody sádry je obecně úměrné viskozitě éteru celulózy, při vysoké viskozitě má malý účinek.

(3) Vnitřní faktory, které mění retenci vody éteru celulózy s teplotou, úzce souvisí s mikroskopickou morfologií éteru celulózy v kapalné fázi. Při určité koncentraci má ether celulózy tendenci agregovat za vzniku velkých koloidních asociací, které blokují kanál pro transport vody sádrové směsi, aby se dosáhlo vysoké retence vody. Avšak se zvýšením teploty v důsledku tepelné gelovatění samotného etheru celulózy se dříve vytvořená velká koloidní asociace redisperguje, což vede k poklesu schopnosti zadržovat vodu.