Celluloseether in zementbasierten Produkten

Celluloseether ist eine Art Mehrzweckadditiv, das in Zementprodukten verwendet werden kann. In diesem Artikel werden die chemischen Eigenschaften von Methylcellulose (MC) und Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), die üblicherweise in Zementprodukten verwendet werden, die Methode und das Prinzip der Nettolösung sowie die Haupteigenschaften der Lösung vorgestellt. Die Verringerung der Temperatur und Viskosität des thermischen Gels in Zementprodukten wurde auf der Grundlage praktischer Produktionserfahrungen diskutiert.

Schlüsselwörter:Celluloseether; Methylzellulose;Hydroxypropylmethylcellulose; Heißgeltemperatur; Viskosität

1. Übersicht

Celluloseether (kurz CE) wird aus Cellulose durch Veretherungsreaktion eines oder mehrerer Veretherungsmittel und Trockenmahlen hergestellt. CE kann in ionische und nichtionische Typen unterteilt werden, wobei der nichtionische CE-Typ aufgrund seiner einzigartigen thermischen Geleigenschaften und Löslichkeit, Salzbeständigkeit und Hitzebeständigkeit sowie einer geeigneten Oberflächenaktivität vorliegt. Es kann als Wasserrückhaltemittel, Suspensionsmittel, Emulgator, Filmbildner, Schmiermittel, Klebstoff und rheologischer Verbesserer verwendet werden. Die wichtigsten ausländischen Verbrauchsbereiche sind Latexbeschichtungen, Baumaterialien, Ölbohrungen usw. Im Vergleich zum Ausland steckt die Herstellung und Anwendung von wasserlöslichem CE noch in den Kinderschuhen. Mit der Verbesserung des Gesundheits- und Umweltbewusstseins der Menschen. Wasserlösliches CE, das für die Physiologie harmlos ist und die Umwelt nicht belastet, wird eine große Entwicklung erleben.

Im Bereich der Baustoffe werden üblicherweise Methylzellulose (MC) und Hydroxypropylmethylzellulose (HPMC) als CE ausgewählt, die als Weichmacher, Viskosifizierer, Wasserrückhaltemittel, Luftporenbildner und Verzögerer für Farben, Gips, Mörtel und Zementprodukte verwendet werden können. Der größte Teil der Baustoffindustrie wird bei normaler Temperatur eingesetzt, wobei die Bedingungen Trockenmischung aus Pulver und Wasser sind, weniger die Auflösungseigenschaften und Heißgeleigenschaften von CE betreffen, aber bei der mechanisierten Produktion von Zementprodukten und anderen speziellen Temperaturbedingungen sind diese Eigenschaften von CE wird eine umfassendere Rolle spielen.

2. Chemische Eigenschaften von CE

CE wird durch die Behandlung von Zellulose mit einer Reihe chemischer und physikalischer Methoden gewonnen. Entsprechend der unterschiedlichen chemischen Substitutionsstruktur können sie normalerweise unterteilt werden in: MC, HPMC, Hydroxyethylcellulose (HEC) usw.: Jedes CE hat die Grundstruktur von Cellulose – dehydrierte Glucose. Bei der Herstellung von CE werden Cellulosefasern zunächst in einer alkalischen Lösung erhitzt und anschließend mit Veretherungsmitteln behandelt. Die faserförmigen Reaktionsprodukte werden gereinigt und pulverisiert, um ein gleichmäßiges Pulver einer bestimmten Feinheit zu bilden.

Bei der Herstellung von MC wird ausschließlich Methanchlorid als Veretherungsmittel verwendet. Neben der Verwendung von Methanchlorid wird bei der Herstellung von HPMC auch Propylenoxid verwendet, um Hydroxypropyl-Substituentengruppen zu erhalten. Verschiedene CE weisen unterschiedliche Methyl- und Hydroxypropyl-Substitutionsraten auf, was sich auf die organische Kompatibilität und die thermische Geltemperatur der CE-Lösung auswirkt.

Die Anzahl der Substitutionsgruppen an den dehydrierten Glucose-Struktureinheiten der Cellulose kann durch den Massenprozentsatz oder die durchschnittliche Anzahl der Substitutionsgruppen (d. h. DS – Substitutionsgrad) ausgedrückt werden. Die Anzahl der Substituentengruppen bestimmt die Eigenschaften von CE-Produkten. Der Einfluss des durchschnittlichen Substitutionsgrads auf die Löslichkeit der Veretherungsprodukte ist wie folgt:

(1) geringer Substitutionsgrad, laugenlöslich;

(2) leicht hoher Substitutionsgrad, wasserlöslich;

(3) hoher Substitutionsgrad gelöst in polaren organischen Lösungsmitteln;

(4) Höherer Substitutionsgrad gelöst in unpolaren organischen Lösungsmitteln.

3. Auflösungsmethode von CE

CE hat eine einzigartige Löslichkeitseigenschaft: Wenn die Temperatur auf eine bestimmte Temperatur ansteigt, ist es in Wasser unlöslich, aber unterhalb dieser Temperatur nimmt seine Löslichkeit mit sinkender Temperatur zu. CE ist in kaltem Wasser (und in einigen Fällen in bestimmten organischen Lösungsmitteln) durch Quellung und Hydratation löslich. CE-Lösungen weisen nicht die offensichtlichen Löslichkeitsbeschränkungen auf, die bei der Auflösung ionischer Salze auftreten. Die CE-Konzentration ist im Allgemeinen auf die Viskosität beschränkt, die durch die Produktionsausrüstung kontrolliert werden kann, und variiert auch je nach der vom Benutzer geforderten Viskosität und chemischen Vielfalt. Die Lösungskonzentration von CE mit niedriger Viskosität beträgt im Allgemeinen 10 bis 15 %, und die Konzentration von CE mit hoher Viskosität ist im Allgemeinen auf 2 bis 3 % begrenzt. Verschiedene Arten von CE (z. B. Pulver, oberflächenbehandeltes Pulver oder Granulat) können die Zubereitung der Lösung beeinflussen.

3.1 CE ohne Oberflächenbehandlung

Obwohl CE in kaltem Wasser löslich ist, muss es vollständig im Wasser dispergiert werden, um eine Verklumpung zu vermeiden. In einigen Fällen kann ein Hochgeschwindigkeitsmischer oder ein Trichter in kaltem Wasser verwendet werden, um CE-Pulver zu dispergieren. Wird das unbehandelte Pulver jedoch ohne ausreichendes Rühren direkt in kaltes Wasser gegeben, bilden sich erhebliche Klumpen. Der Hauptgrund für das Zusammenbacken liegt darin, dass die CE-Pulverpartikel nicht vollständig benetzt sind. Wenn nur ein Teil des Pulvers aufgelöst wird, bildet sich ein Gelfilm, der verhindert, dass sich das restliche Pulver weiter auflöst. Daher sollten die CE-Partikel vor der Auflösung möglichst vollständig dispergiert werden. Die folgenden zwei Dispergiermethoden werden üblicherweise verwendet.

3.1.1 Trockenmischungsdispersionsmethode

Diese Methode wird am häufigsten bei Zementprodukten verwendet. Bevor Sie Wasser hinzufügen, mischen Sie das andere Pulver gleichmäßig mit dem CE-Pulver, sodass die CE-Pulverpartikel verteilt werden. Mindestmischungsverhältnis: Anderes Pulver: CE-Pulver = (3 ~ 7) : 1.

Bei diesem Verfahren wird die CE-Dispergierung im trockenen Zustand abgeschlossen, wobei ein anderes Pulver als Medium zum Dispergieren der CE-Partikel untereinander verwendet wird, um die gegenseitige Bindung der CE-Partikel bei der Zugabe von Wasser zu vermeiden und die weitere Auflösung zu beeinträchtigen. Daher ist zum Dispergieren kein heißes Wasser erforderlich, die Auflösungsgeschwindigkeit hängt jedoch von den Pulverpartikeln und den Rührbedingungen ab.

3.1.2 Heißwasserdispersionsmethode

(1) Das erste 1/5 bis 1/3 des erforderlichen Wassers auf 90 °C erhitzen, CE hinzufügen und dann rühren, bis alle Partikel nass dispergiert sind, und dann das restliche Wasser in kaltem oder Eiswasser hinzufügen, um die Temperatur zu senken Sobald die CE-Lösungstemperatur erreicht war, begann das Pulver zu hydratisieren und die Viskosität nahm zu.

(2) Sie können auch das gesamte Wasser erhitzen und dann CE hinzufügen und unter Rühren abkühlen lassen, bis die Hydratation abgeschlossen ist. Für eine vollständige Hydratation von CE und die Bildung von Viskosität ist eine ausreichende Kühlung sehr wichtig. Für eine ideale Viskosität sollte die MC-Lösung auf 0 bis 5 °C gekühlt werden, während HPMC nur auf 20 bis 25 °C oder weniger gekühlt werden muss. Da eine vollständige Hydratation eine ausreichende Kühlung erfordert, werden HPMC-Lösungen häufig dort eingesetzt, wo kein kaltes Wasser verwendet werden kann: Den Informationen zufolge weist HPMC bei niedrigeren Temperaturen eine geringere Temperaturreduzierung auf als MC, um die gleiche Viskosität zu erreichen. Es ist erwähnenswert, dass die Heißwasser-Dispersionsmethode nur dazu führt, dass CE-Partikel bei einer höheren Temperatur gleichmäßig verteilt werden, zu diesem Zeitpunkt jedoch keine Lösung entsteht. Um eine Lösung mit einer bestimmten Viskosität zu erhalten, muss diese erneut abgekühlt werden.

3.2 Oberflächenbehandeltes dispergierbares CE-Pulver

In vielen Fällen muss CE in kaltem Wasser sowohl dispergierbare als auch schnelle Hydratationseigenschaften (Bildungsviskosität) aufweisen. Oberflächenbehandeltes CE ist nach einer speziellen chemischen Behandlung vorübergehend in kaltem Wasser unlöslich. Dadurch wird sichergestellt, dass CE bei Zugabe zu Wasser nicht sofort eine offensichtliche Viskosität entwickelt und unter relativ geringen Scherkräften dispergiert werden kann. Die „Verzögerungszeit“ der Hydratation oder Viskositätsbildung ist das Ergebnis der Kombination aus dem Grad der Oberflächenbehandlung, der Temperatur, dem pH-Wert des Systems und der Konzentration der CE-Lösung. Die Verzögerung der Hydratation wird im Allgemeinen bei höheren Konzentrationen, Temperaturen und pH-Werten verringert. Im Allgemeinen wird die CE-Konzentration jedoch erst dann berücksichtigt, wenn sie 5 % (das Massenverhältnis von Wasser) erreicht.

Für beste Ergebnisse und vollständige Hydratation sollte das oberflächenbehandelte CE einige Minuten lang unter neutralen Bedingungen bei einem pH-Wert im Bereich von 8,5 bis 9,0 gerührt werden, bis die maximale Viskosität erreicht ist (normalerweise 10–30 Minuten). Sobald sich der pH-Wert in den basischen Bereich (pH 8,5 bis 9,0) ändert, löst sich das oberflächenbehandelte CE vollständig und schnell auf und die Lösung kann bei pH 3 bis 11 stabil bleiben. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Anpassung des pH-Werts einer hochkonzentrierten Aufschlämmung erforderlich ist führt dazu, dass die Viskosität zum Pumpen und Gießen zu hoch wird. Der pH-Wert sollte angepasst werden, nachdem die Aufschlämmung auf die gewünschte Konzentration verdünnt wurde.

Zusammenfassend umfasst der Auflösungsprozess von CE zwei Prozesse: physikalische Dispersion und chemische Auflösung. Der Schlüssel besteht darin, die CE-Partikel vor der Auflösung miteinander zu dispergieren, um eine Agglomeration aufgrund der hohen Viskosität während der Auflösung bei niedriger Temperatur zu vermeiden, die die weitere Auflösung beeinträchtigen würde.

4. Eigenschaften der CE-Lösung

Verschiedene Arten wässriger CE-Lösungen gelieren bei ihren spezifischen Temperaturen. Das Gel ist vollständig reversibel und bildet beim erneuten Abkühlen eine Lösung. Die reversible thermische Gelierung von CE ist einzigartig. In vielen Zementprodukten stehen die Viskosität von CE und die entsprechenden Wasserrückhalte- und Schmiereigenschaften sowie die Viskosität und die Geltemperatur in direktem Zusammenhang. Unter der Geltemperatur gilt: Je niedriger die Temperatur, desto höher die Viskosität von CE. desto besser ist die entsprechende Wasserrückhalteleistung.

Die aktuelle Erklärung für das Gel-Phänomen lautet: Beim Auflösungsprozess verhält es sich ähnlich

Die Polymermoleküle des Fadens verbinden sich mit der Wassermolekülschicht, was zu einer Quellung führt. Wassermoleküle wirken wie Schmieröl, das lange Ketten von Polymermolekülen auseinanderreißen kann, sodass die Lösung die Eigenschaften einer viskosen Flüssigkeit hat, die sich leicht entleeren lässt. Wenn die Temperatur der Lösung steigt, verliert das Cellulosepolymer allmählich Wasser und die Viskosität der Lösung nimmt ab. Wenn der Gelpunkt erreicht ist, wird das Polymer vollständig dehydriert, was zur Verbindung zwischen den Polymeren und zur Bildung des Gels führt: Die Festigkeit des Gels nimmt weiter zu, wenn die Temperatur über dem Gelpunkt bleibt.

Wenn die Lösung abkühlt, beginnt sich das Gel umzukehren und die Viskosität nimmt ab. Schließlich kehrt die Viskosität der Kühllösung zur ursprünglichen Temperaturanstiegskurve zurück und nimmt mit abnehmender Temperatur zu. Die Lösung kann auf ihren ursprünglichen Viskositätswert abgekühlt werden. Daher ist der thermische Gelprozess von CE reversibel.

Die Hauptaufgabe von CE in Zementprodukten besteht darin, als Viskosifizierungsmittel, Weichmacher und Wasserrückhaltemittel zu dienen. Daher ist die Steuerung der Viskosität und der Geltemperatur zu einem wichtigen Faktor bei Zementprodukten geworden. In der Regel wird der anfängliche Geltemperaturpunkt unterhalb eines Abschnitts der Kurve verwendet. Je niedriger also die Temperatur, desto höher die Viskosität, desto offensichtlicher ist der Effekt der Wasserretention des Viskosifizierungsmittels. Die Testergebnisse der Extrusionszementplatten-Produktionslinie zeigen auch, dass die Viskositäts- und Wasserrückhaltewirkung umso besser ist, je niedriger die Materialtemperatur bei gleichem CE-Gehalt ist. Da das Zementsystem ein äußerst komplexes physikalisches und chemisches Eigenschaftssystem ist, gibt es viele Faktoren, die die Änderung der Temperatur und Viskosität des CE-Gels beeinflussen. Und der Einfluss verschiedener Taianin-Trends und -Grade ist nicht derselbe, so dass die praktische Anwendung auch ergab, dass nach dem Mischen des Zementsystems der tatsächliche Geltemperaturpunkt von CE (d. h. der Rückgang des Leim- und Wasserretentionseffekts) bei dieser Temperatur sehr offensichtlich ist ) sind niedriger als die vom Produkt angegebene Geltemperatur. Daher müssen bei der Auswahl von CE-Produkten die Faktoren berücksichtigt werden, die zu einem Rückgang der Geltemperatur führen. Im Folgenden sind die Hauptfaktoren aufgeführt, von denen wir glauben, dass sie die Viskosität und Geltemperatur der CE-Lösung in Zementprodukten beeinflussen.

4.1 Einfluss des pH-Wertes auf die Viskosität

MC und HPMC sind nichtionisch, sodass die Viskosität der Lösung einen größeren Bereich der DH-Stabilität aufweist als die Viskosität von natürlichem ionischem Klebstoff. Wenn der pH-Wert jedoch den Bereich von 3 bis 11 überschreitet, verringern sie die Viskosität allmählich bei höherer Temperatur oder bei Lagerung über einen längeren Zeitraum, insbesondere hochviskose Lösungen. Die Viskosität der CE-Produktlösung nimmt in stark sauren oder stark basischen Lösungen ab, was hauptsächlich auf die durch Base und Säure verursachte Dehydrierung von CE zurückzuführen ist. Daher nimmt die Viskosität von CE in der alkalischen Umgebung von Zementprodukten normalerweise bis zu einem gewissen Grad ab.

4.2 Einfluss der Heizrate und des Rührens auf den Gelprozess

Die Temperatur des Gelpunkts wird durch den kombinierten Effekt der Heizrate und der Rühr-Scherrate beeinflusst. Durch schnelles Rühren und schnelles Erhitzen wird die Geltemperatur im Allgemeinen erheblich erhöht, was für Zementprodukte, die durch mechanisches Mischen entstehen, günstig ist.

4.3 Einfluss der Konzentration auf heißes Gel

Eine Erhöhung der Konzentration der Lösung senkt normalerweise die Geltemperatur, und die Gelpunkte von CE mit niedriger Viskosität liegen höher als die von CE mit hoher Viskosität. Wie zum Beispiel METHOCEL A von DOW

Die Geltemperatur wird bei jedem 2 %igen Anstieg der Produktkonzentration um 10 °C gesenkt. Eine Erhöhung der Konzentration von F-Typ-Produkten um 2 % senkt die Geltemperatur um 4 °C.

4.4 Einfluss von Zusatzstoffen auf die thermische Gelierung

Im Baustoffbereich sind viele Materialien anorganische Salze, die einen erheblichen Einfluss auf die Geltemperatur der CE-Lösung haben. Abhängig davon, ob der Zusatzstoff als Koagulationsmittel oder Lösungsvermittler wirkt, können einige Zusatzstoffe die thermische Geltemperatur von CE erhöhen, während andere die thermische Geltemperatur von CE senken können: zum Beispiel lösungsmittelverstärkendes Ethanol, PEG-400 (Polyethylenglykol). , Anediol usw. können den Gelpunkt erhöhen. Salze, Glycerin, Sorbitol und andere Substanzen verringern den Gelpunkt. Nichtionisches CE wird aufgrund polyvalenter Metallionen im Allgemeinen nicht ausgefällt. Wenn jedoch die Elektrolytkonzentration oder andere gelöste Substanzen einen bestimmten Grenzwert überschreiten, können CE-Produkte ausgesalzen werden Dies ist auf die Konkurrenz der Elektrolyte mit Wasser zurückzuführen, was zu einer Verringerung der Hydratation von CE führt. Der Salzgehalt der Lösung des CE-Produkts ist im Allgemeinen etwas höher als der des Mc-Produkts und der Salzgehalt unterscheidet sich geringfügig in verschiedenen HPMC.

Viele Inhaltsstoffe in Zementprodukten lassen den Gelpunkt von CE sinken, daher sollte bei der Auswahl der Zusatzstoffe berücksichtigt werden, dass sich dadurch der Gelpunkt und die Viskosität von CE ändern können.

5. Fazit

(1) Celluloseether ist natürliche Cellulose durch Veretherungsreaktion, hat die Grundstruktureinheit dehydrierter Glucose, je nach Art und Anzahl der Substituentengruppen an seiner Ersatzposition, und weist unterschiedliche Eigenschaften auf. Nichtionische Ether wie MC und HPMC können als Viskosifizierungsmittel, Wasserrückhaltemittel, Luftporenbildner und andere weit verbreitete Produkte in Baumaterialien verwendet werden.

(2) CE verfügt über eine einzigartige Löslichkeit, da es bei einer bestimmten Temperatur (z. B. der Geltemperatur) eine Lösung bildet und bei der Geltemperatur ein festes Gel oder eine feste Partikelmischung bildet. Die wichtigsten Auflösungsmethoden sind die Trockenmisch-Dispersionsmethode, die Heißwasser-Dispersionsmethode usw. Bei Zementprodukten wird üblicherweise die Trockenmisch-Dispersionsmethode verwendet. Der Schlüssel besteht darin, CE gleichmäßig zu verteilen, bevor es sich auflöst und bei niedrigen Temperaturen eine Lösung bildet.

(3) Lösungskonzentration, Temperatur, pH-Wert, chemische Eigenschaften von Zusatzstoffen und Rührgeschwindigkeit beeinflussen die Geltemperatur und Viskosität der CE-Lösung. Insbesondere Zementprodukte sind anorganische Salzlösungen in alkalischer Umgebung und verringern normalerweise die Geltemperatur und Viskosität der CE-Lösung , was nachteilige Auswirkungen mit sich bringt. Daher sollte gemäß den Eigenschaften von CE erstens bei einer niedrigen Temperatur (unterhalb der Geltemperatur) verwendet werden und zweitens der Einfluss von Zusatzstoffen berücksichtigt werden.