Udvikling af nye HEMC celluloseethere for at reducere agglomeration i gipsbaseret maskinsprøjtet plastre

Udvikling af nye HEMC celluloseethere for at reducere agglomeration i gipsbaseret maskinsprøjtet plastre

Gipsbaseret maskinsprøjtet gips (GSP) har været meget brugt i Vesteuropa siden 1970'erne. Fremkomsten af ​​mekanisk sprøjtning har effektivt forbedret effektiviteten af ​​pudskonstruktion og samtidig reduceret byggeomkostningerne. Med uddybningen af ​​GSP-kommercialiseringen er vandopløselig celluloseether blevet et nøgleadditiv. Celluloseether giver GSP en god vandretentionsevne, hvilket begrænser underlagets optagelse af fugt i pudsen, hvorved der opnås en stabil afbindingstid og gode mekaniske egenskaber. Derudover kan den specifikke rheologiske kurve for celluloseether forbedre virkningen af ​​maskinsprøjtning og væsentligt forenkle de efterfølgende mørtelnivellerings- og efterbehandlingsprocesser.

På trods af de åbenlyse fordele ved celluloseethere i GSP-applikationer, kan det også potentielt bidrage til dannelsen af ​​tørre klumper, når de sprøjtes. Disse ubefugtede klumper er også kendt som sammenklumpning eller sammenklumpning, og de kan påvirke mørtlens udjævning og efterbehandling negativt. Agglomerering kan reducere stedets effektivitet og øge omkostningerne ved højtydende gipsprodukter. For bedre at forstå effekten af ​​celluloseethere på dannelsen af ​​klumper i GSP, gennemførte vi en undersøgelse for at forsøge at identificere de relevante produktparametre, der påvirker deres dannelse. Baseret på resultaterne af denne undersøgelse udviklede vi en serie af celluloseetherprodukter med en reduceret tendens til at agglomerere og evaluerede dem i praktiske anvendelser.

Nøgleord: cellulose ether; gips maskine spray gips; opløsningshastighed; partikelmorfologi

1. Indledning

Vandopløselige celluloseethere er med succes blevet brugt i gipsbaserede maskinsprøjtede plastre (GSP) for at regulere vandbehovet, forbedre vandretentionen og forbedre de rheologiske egenskaber af mørtler. Derfor er det med til at forbedre ydeevnen af ​​vådmørtlen og derved sikre den nødvendige styrke af mørtlen. På grund af dets kommercielt levedygtige og miljøvenlige egenskaber er tørblanding GSP blevet et meget brugt interiørbyggemateriale i hele Europa i løbet af de sidste 20 år.

Maskiner til blanding og sprøjtning af tørblandet GSP er med succes blevet kommercialiseret i årtier. Selvom nogle tekniske egenskaber ved udstyr fra forskellige producenter varierer, tillader alle kommercielt tilgængelige sprøjtemaskiner en meget begrænset omrøringstid for vand til at blande sig med celluloseether-holdig gips tørblandet mørtel. Generelt tager hele blandingsprocessen kun et par sekunder. Efter blanding pumpes vådmørtlen gennem tilførselsslangen og sprøjtes på underlagsvæggen. Hele processen er afsluttet inden for et minut. Men på så kort tid skal celluloseethere være fuldstændigt opløst for fuldt ud at udvikle deres egenskaber i applikationen. Tilsætning af fint formalede celluloseetherprodukter til gipsmørtelformuleringer sikrer fuldstændig opløsning under denne sprøjteproces.

Den fint formalede celluloseether opbygger hurtigt konsistens ved kontakt med vand under omrøring i sprøjten. Den hurtige viskositetsstigning forårsaget af opløsningen af ​​celluloseetheren forårsager problemer med den samtidige vandbefugtning af de cementholdige gipsmaterialepartikler. Når vandet begynder at tykne, bliver det mindre flydende og kan ikke trænge ind i de små porer mellem gipspartiklerne. Efter at adgangen til porerne er blokeret, forsinkes befugtningsprocessen af ​​de cementholdige materialepartikler med vand. Blandetiden i sprøjten var kortere end den tid, der krævedes for at fugte gipspartiklerne helt, hvilket resulterede i dannelsen af ​​tørre pulverklumper i den friske våde mørtel. Når først disse klumper er dannet, hæmmer de arbejdernes effektivitet i efterfølgende processer: Udjævning af mørtel med klumper er meget besværligt og tager mere tid. Selv efter at mørtlen er stivnet, kan der opstå klumper. For eksempel vil dækning af klumper inde under konstruktionen føre til mørke områder på et senere tidspunkt, som vi ikke ønsker at se.

Selvom celluloseethere har været brugt som tilsætningsstoffer i GSP i mange år, er deres effekt på dannelsen af ​​ubefugtede klumper hidtil ikke blevet undersøgt meget. Denne artikel præsenterer en systematisk tilgang, der kan bruges til at forstå årsagen til agglomeration fra et celluloseetherperspektiv.

2. Årsager til dannelsen af ​​ubefugtede klumper i GSP

2.1 Befugtning af pudsbaserede puds

I de tidlige stadier af etableringen af ​​forskningsprogrammet blev en række mulige grundlæggende årsager til dannelsen af ​​klumper i CSP'en samlet. Dernæst fokuseres problemet gennem computerstøttet analyse på, om der findes en praktisk teknisk løsning. Gennem disse værker blev den optimale løsning på dannelsen af ​​agglomerater i GSP foreløbigt frasorteret. Ud fra både tekniske og kommercielle overvejelser er den tekniske vej til at ændre befugtningen af ​​gipspartikler ved overfladebehandling udelukket. Ud fra et kommercielt synspunkt udelukkes tanken om at udskifte det eksisterende udstyr med et sprøjteudstyr med et specialdesignet blandekammer, der kan sikre tilstrækkelig opblanding af vand og mørtel.

En anden mulighed er at bruge befugtningsmidler som tilsætningsstoffer i gipspudsformuleringer, og det har vi allerede fundet patent på. Tilsætningen af ​​dette additiv påvirker dog uundgåeligt negativt gipsets bearbejdelighed. Endnu vigtigere er det, at det ændrer mørtlens fysiske egenskaber, især hårdhed og styrke. Så vi gik ikke for dybt i det. Derudover vurderes tilsætning af befugtningsmidler også muligvis at have en negativ indvirkning på miljøet.

I betragtning af at celluloseether allerede er en del af den gipsbaserede gipsformulering, bliver optimering af celluloseether i sig selv den bedste løsning, der kan vælges. Samtidig må det ikke påvirke vandretentionsegenskaberne eller have en negativ indvirkning på de reologiske egenskaber af pudsen i brug. Baseret på den tidligere foreslåede hypotese om, at dannelsen af ​​ikke-vædede pulvere i GSP skyldes den alt for hurtige stigning i viskositeten af ​​celluloseethere efter kontakt med vand under omrøring, blev styring af opløsningskarakteristika af celluloseethere hovedmålet med vores undersøgelse .

2.2 Opløsningstid for celluloseether

En nem måde at sænke opløsningshastigheden af ​​celluloseethere er at bruge granulære produkter. Den største ulempe ved at bruge denne fremgangsmåde i GSP er, at partikler, der er for grove, ikke opløses fuldstændigt inden for det korte 10-sekunders omrøringsvindue i sprøjten, hvilket fører til tab af vandretention. Derudover vil hævelsen af ​​uopløst celluloseether i det senere trin føre til fortykkelse efter pudsning og påvirke konstruktionens ydeevne, hvilket vi ikke ønsker at se.

En anden mulighed for at reducere opløsningshastigheden af ​​celluloseethere er reversibelt at tværbinde overfladen af ​​celluloseethere med glyoxal. Men da tværbindingsreaktionen er pH-kontrolleret, er opløsningshastigheden af ​​celluloseethere meget afhængig af pH-værdien af ​​den omgivende vandige opløsning. pH-værdien af ​​GSP-systemet blandet med læsket kalk er meget høj, og tværbindende bindinger af glyoxal på overfladen åbnes hurtigt efter kontakt med vand, og viskositeten begynder at stige øjeblikkeligt. Derfor kan sådanne kemiske behandlinger ikke spille en rolle i at kontrollere opløsningshastigheden i GSP.

Opløsningstiden for celluloseethere afhænger også af deres partikelmorfologi. Denne kendsgerning har dog ikke fået meget opmærksomhed indtil videre, selvom effekten er meget betydelig. De har en konstant lineær opløsningshastighed [kg/(m2•s)], så deres opløsning og viskositetsopbygning er proportional med den tilgængelige overflade. Denne hastighed kan variere betydeligt med ændringer i morfologien af ​​cellulosepartiklerne. I vores beregninger er det antaget, at fuld viskositet (100%) er nået efter 5 sekunders omrøring.

Beregninger af forskellige partikelmorfologier viste, at sfæriske partikler havde en viskositet på 35 % af den endelige viskositet ved halvdelen af ​​blandingstiden. I samme tidsrum kan stavformede celluloseetherpartikler kun nå 10%. De skiveformede partikler begyndte lige at opløses efter2,5 sekunder.

Også inkluderet er ideelle opløselighedskarakteristika for celluloseethere i GSP. Forsink den indledende viskositetsopbygning i mere end 4,5 sekunder. Derefter steg viskositeten hurtigt for at nå den endelige viskositet inden for 5 sekunder efter omrøringsblandetiden. I GSP tillader en så lang forsinket opløsningstid, at systemet har en lav viskositet, og det tilsatte vand kan væde gipspartiklerne fuldstændigt og trænge ind i porerne mellem partiklerne uden forstyrrelser.

3. Partikelmorfologi af celluloseether

3.1 Måling af partikelmorfologi

Da formen af ​​celluloseetherpartikler har en så betydelig indflydelse på opløseligheden, er det først nødvendigt at bestemme parametrene, der beskriver formen af ​​celluloseetherpartikler, og derefter at identificere forskellene mellem ikke-befugtning Dannelsen af ​​agglomerater er en særlig relevant parameter .

Vi opnåede partikelmorfologien af ​​celluloseether ved dynamisk billedanalyseteknik. Partikelmorfologien af ​​celluloseethere kan karakteriseres fuldt ud ved hjælp af en SYMPATEC digital billedanalysator (fremstillet i Tyskland) og specifikke softwareanalyseværktøjer. De vigtigste partikelformparametre viste sig at være den gennemsnitlige længde af fibre udtrykt som LEFI(50,3) og den gennemsnitlige diameter udtrykt som DIFI(50,3). Fibergennemsnitslængdedata anses for at være den fulde længde af en vis spredt celluloseetherpartikel.

Normalt kan partikelstørrelsesfordelingsdata såsom den gennemsnitlige fiberdiameter DIFI beregnes baseret på antallet af partikler (angivet med 0), længde (angivet med 1), areal (angivet med 2) eller volumen (angivet med 3). Alle partikeldatamålinger i dette papir er baseret på volumen og er derfor angivet med suffikset 3. For eksempel, i DIFI(50,3), betyder 3 volumenfordelingen, og 50 betyder, at 50 % af partikelstørrelsesfordelingskurven er mindre end den angivne værdi, og de øvrige 50 % er større end den angivne værdi. Celluloseetherpartikelformdata er angivet i mikrometer (µm).

3.2 Celluloseether efter partikelmorfologioptimering

Under hensyntagen til effekten af ​​partikeloverfladen afhænger partikelopløsningstiden for celluloseetherpartikler med en stavlignende partikelform stærkt af den gennemsnitlige fiberdiameter DIFI (50,3). Ud fra denne antagelse var udviklingsarbejdet på celluloseethere rettet mod at opnå produkter med en større gennemsnitlig fiberdiameter DIFI (50,3) for at forbedre pulverets opløselighed.

En stigning i den gennemsnitlige fiberlængde DIFI(50,3) forventes dog ikke at blive ledsaget af en stigning i den gennemsnitlige partikelstørrelse. Forøgelse af begge parametre sammen vil resultere i partikler, der er for store til at opløses fuldstændigt inden for den typiske 10-sekunders omrøringstid ved mekanisk sprøjtning.

Derfor bør en ideel hydroxyethylmethylcellulose (HEMC) have en større gennemsnitlig fiberdiameter DIFI(50,3) og samtidig bevare den gennemsnitlige fiberlængde LEFI(50,3). Vi bruger en ny celluloseetherproduktionsproces til at producere en forbedret HEMC. Partikelformen af ​​den vandopløselige celluloseether opnået gennem denne produktionsproces er fuldstændig forskellig fra partikelformen af ​​den cellulose, der anvendes som råmateriale til produktionen. Med andre ord tillader produktionsprocessen, at partikelformdesignet af celluloseether er uafhængigt af dets produktionsråmaterialer.

Tre scanningselektronmikroskopbilleder: et af celluloseether fremstillet ved standardprocessen og et af celluloseether fremstillet ved den nye proces med en større diameter på DIFI(50,3) end konventionelle procesværktøjsprodukter. Også vist er morfologien af ​​den fint formalede cellulose, der anvendes til fremstilling af disse to produkter.

Ved at sammenligne elektronmikrofotografier af cellulose og celluloseether fremstillet ved standardprocessen er det let at finde ud af, at de to har lignende morfologiske egenskaber. Det store antal partikler i begge billeder udviser typisk lange, tynde strukturer, hvilket tyder på, at de grundlæggende morfologiske træk ikke har ændret sig, selv efter den kemiske reaktion har fundet sted. Det er klart, at reaktionsprodukternes partikelmorfologiske egenskaber er stærkt korrelerede med råmaterialerne.

Det viste sig, at de morfologiske egenskaber af celluloseetheren fremstillet ved den nye proces er væsentligt forskellige, den har en større gennemsnitlig diameter DIFI (50,3), og præsenterer hovedsageligt runde korte og tykke partikelformer, mens de typiske tynde og lange partikler i celluloseråvarer Næsten uddøde.

Denne figur viser igen, at partikelmorfologien af ​​celluloseetherne fremstillet ved den nye proces ikke længere er relateret til morfologien af ​​celluloseråvaren – sammenhængen mellem råvarens morfologi og slutproduktet eksisterer ikke længere.

4. Effekt af HEMC-partikelmorfologi på dannelsen af ​​ubefugtede klumper i GSP

GSP blev testet under feltanvendelsesbetingelser for at verificere, at vores hypotese om arbejdsmekanismen (at brug af et celluloseetherprodukt med en større middeldiameter DIFI (50,3) ville reducere uønsket agglomeration) var korrekt. HEMC'er med middeldiametre DIFI(50,3) i området fra 37 µm til 52 µm blev brugt i disse eksperimenter. For at minimere påvirkningen af ​​andre faktorer end partikelmorfologi, blev gipspudsbasen og alle andre additiver holdt uændrede. Viskositeten af ​​celluloseetheren blev holdt konstant under testen (60.000 mPa.s, 2% vandig opløsning, målt med et HAAKE-rheometer).

En kommercielt tilgængelig gipssprøjte (PFT G4) blev brugt til sprøjtning i påføringsforsøgene. Fokuser på at evaluere dannelsen af ​​ubefugtede klumper af gipsmørtel umiddelbart efter, at den er blevet påført væggen. Vurdering af sammenklumpning på dette trin under påføringsprocessen for gips vil bedst afsløre forskelle i produktets ydeevne. I testen vurderede erfarne arbejdere klumpningssituationen, hvor 1 var den bedste og 6 er den dårligste.

Testresultaterne viser tydeligt sammenhængen mellem den gennemsnitlige fiberdiameter DIFI (50,3) og klumpningsydelsesscoren. I overensstemmelse med vores hypotese om, at celluloseetherprodukter med større DIFI(50,3) klarede sig bedre end mindre DIFI(50,3)-produkter, var den gennemsnitlige score for DIFI(50,3) på 52 µm 2 (god), mens dem med DIFI( 50,3) på 37 µm og 40 µm scorede 5 (fejl).

Som vi forventede, afhænger klumpningsadfærden i GSP-applikationer væsentligt af den gennemsnitlige diameter DIFI(50,3) af den anvendte celluloseether. Desuden blev det nævnt i den tidligere diskussion, at blandt alle de morfologiske parametre påvirkede DIFI(50,3) kraftigt opløsningstiden for celluloseetherpulvere. Dette bekræfter, at celluloseetheropløsningstid, som er stærkt korreleret med partikelmorfologi, i sidste ende påvirker dannelsen af ​​klumper i GSP. En større DIFI (50,3) bevirker en længere opløsningstid af pulveret, hvilket reducerer chancen for agglomeration markant. For lang pulveropløsningstid vil imidlertid gøre det vanskeligt for celluloseetheren at opløses fuldstændigt inden for sprøjteudstyrets omrøringstid.

Det nye HEMC-produkt med en optimeret opløsningsprofil på grund af en større gennemsnitlig fiberdiameter DIFI(50,3) har ikke kun bedre befugtning af gipspulveret (som det ses i klumpningsevalueringen), men påvirker heller ikke vandtilbageholdelsesevnen af produktet. Vandophobningen målt i henhold til EN 459-2 kunne ikke skelnes fra HEMC-produkter med samme viskositet med DIFI(50,3) fra 37µm til 52µm. Alle målinger efter 5 minutter og 60 minutter falder inden for det påkrævede område vist i grafen.

Det blev dog også bekræftet, at hvis DIFI(50,3) bliver for stort, vil celluloseetherpartiklerne ikke længere opløses fuldstændigt. Dette blev fundet ved test af en DIFI(50,3) på 59 µM produkt. Dens vandophobningstestresultater efter 5 minutter og især efter 60 minutter opfyldte ikke det krævede minimum.

5. Resumé

Celluloseethere er vigtige tilsætningsstoffer i GSP-formuleringer. Forsknings- og produktudviklingsarbejdet her ser på sammenhængen mellem partikelmorfologien af ​​celluloseethere og dannelsen af ​​ubefugtede klumper (såkaldt klumpning), når de sprøjtes mekanisk. Det er baseret på antagelsen om arbejdsmekanismen, at opløsningstiden for celluloseetherpulver påvirker befugtningen af ​​gipspulver med vand og dermed påvirker dannelsen af ​​klumper.

Opløsningstiden afhænger af partikelmorfologien af ​​celluloseetheren og kan opnås ved hjælp af digitale billedanalyseværktøjer. I GSP har celluloseethere med en stor gennemsnitlig diameter på DIFI (50,3) optimerede pulveropløsningsegenskaber, hvilket giver mere tid for vandet til at fugte gipspartiklerne grundigt, hvilket muliggør optimal anti-agglomerering. Denne type celluloseether fremstilles ved hjælp af en ny produktionsproces, og dens partikelform afhænger ikke af den oprindelige form af råmaterialet til produktion.

Den gennemsnitlige fiberdiameter DIFI (50,3) har en meget vigtig effekt på sammenklumpning, hvilket er blevet verificeret ved at tilføje dette produkt til en kommercielt tilgængelig maskinsprøjtet gipsbase til sprøjtning på stedet. Desuden bekræftede disse feltsprøjtetest vores laboratorieresultater: de bedst ydende celluloseetherprodukter med stor DIFI (50,3) var fuldstændig opløselige inden for tidsvinduet for GSP-agitation. Derfor bevarer celluloseetherproduktet med de bedste antiklumpningsegenskaber efter at have forbedret partikelformen stadig den oprindelige vandretentionsevne.