Entwicklung neuartiger HEMC-Celluloseether zur Reduzierung der Agglomeration in gipsbasierten Maschinenspritzputzen

Entwicklung neuartiger HEMC-Celluloseether zur Reduzierung der Agglomeration in gipsbasierten Maschinenspritzputzen

Maschinenspritzputz (GSP) auf Gipsbasis wird in Westeuropa seit den 1970er Jahren häufig verwendet. Das Aufkommen des mechanischen Spritzens hat die Effizienz des Putzbaus effektiv verbessert und gleichzeitig die Baukosten gesenkt. Mit der zunehmenden Kommerzialisierung von GSP ist wasserlöslicher Celluloseether zu einem wichtigen Zusatzstoff geworden. Celluloseether verleiht GSP ein gutes Wasserrückhaltevermögen, wodurch die Feuchtigkeitsaufnahme des Untergrunds im Putz begrenzt wird und dadurch eine stabile Abbindezeit und gute mechanische Eigenschaften erreicht werden. Darüber hinaus kann die spezifische rheologische Kurve von Celluloseether die Wirkung des maschinellen Spritzens verbessern und die nachfolgenden Mörtelausgleichs- und Endbearbeitungsprozesse erheblich vereinfachen.

Trotz der offensichtlichen Vorteile von Celluloseethern bei GSP-Anwendungen können sie möglicherweise auch zur Bildung trockener Klumpen beim Sprühen beitragen. Diese unbenetzten Klumpen werden auch als Verklumpungen oder Anbackungen bezeichnet und können die Nivellierung und Endbearbeitung des Mörtels beeinträchtigen. Agglomeration kann die Standorteffizienz verringern und die Kosten für Hochleistungsgipsproduktanwendungen erhöhen. Um die Wirkung von Celluloseethern auf die Klumpenbildung in GSP besser zu verstehen, haben wir eine Studie durchgeführt, um die relevanten Produktparameter zu identifizieren, die ihre Bildung beeinflussen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie haben wir eine Reihe von Celluloseetherprodukten mit reduzierter Agglomerationsneigung entwickelt und in der Praxis evaluiert.

Schlüsselwörter: Celluloseether; Gips-Maschinenspritzputz; Auflösungsrate; Partikelmorphologie

1. Einführung

Wasserlösliche Celluloseether werden erfolgreich in gipsbasierten Maschinenspritzputzen (GSP) eingesetzt, um den Wasserbedarf zu regulieren, die Wasserretention zu verbessern und die rheologischen Eigenschaften von Mörteln zu verbessern. Dadurch trägt es dazu bei, die Leistung des Nassmörtels zu verbessern und so die erforderliche Festigkeit des Mörtels sicherzustellen. Aufgrund seiner wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Eigenschaften hat sich die Trockenmischung GSP in den letzten 20 Jahren zu einem weit verbreiteten Innenbaustoff in ganz Europa entwickelt.

Maschinen zum Mischen und Sprühen von GSP-Trockenmischungen werden seit Jahrzehnten erfolgreich kommerzialisiert. Obwohl einige technische Merkmale der Geräte verschiedener Hersteller unterschiedlich sind, ermöglichen alle handelsüblichen Spritzgeräte eine sehr begrenzte Rührzeit für das Mischen von Wasser mit zelluloseetherhaltigem Gips-Trockenmörtel. Im Allgemeinen dauert der gesamte Mischvorgang nur wenige Sekunden. Nach dem Mischen wird der Nassmörtel durch den Förderschlauch gepumpt und auf die Untergrundwand aufgesprüht. Der gesamte Vorgang ist innerhalb einer Minute abgeschlossen. Allerdings müssen Celluloseether in so kurzer Zeit vollständig gelöst sein, um ihre Eigenschaften in der Anwendung voll entfalten zu können. Durch die Zugabe von fein gemahlenen Celluloseetherprodukten zu Gipsmörtelformulierungen wird bei diesem Spritzvorgang eine vollständige Auflösung gewährleistet.

Der fein gemahlene Celluloseether baut bei Kontakt mit Wasser beim Rühren im Sprühgerät schnell eine Konsistenz auf. Der durch die Auflösung des Celluloseethers verursachte schnelle Viskositätsanstieg führt zu Problemen bei der gleichzeitigen Benetzung der Gips-Zement-Materialpartikel mit Wasser. Wenn das Wasser einzudicken beginnt, wird es weniger flüssig und kann nicht in die kleinen Poren zwischen den Gipspartikeln eindringen. Nachdem der Zugang zu den Poren blockiert ist, verzögert sich der Benetzungsprozess der zementären Materialpartikel durch Wasser. Die Mischzeit im Spritzgerät war kürzer als die Zeit, die zur vollständigen Benetzung der Gipspartikel erforderlich war, was zur Bildung von Trockenpulverklumpen im frischen Nassmörtel führte. Sobald sich diese Klumpen gebildet haben, beeinträchtigen sie die Effizienz der Arbeiter in nachfolgenden Prozessen: Das Nivellieren von Mörtel mit Klumpen ist sehr mühsam und nimmt mehr Zeit in Anspruch. Auch nach dem Aushärten des Mörtels können sich zunächst Klumpen bilden. Beispielsweise führt das Abdecken der Klumpen im Inneren während des Baus dazu, dass im späteren Stadium dunkle Bereiche entstehen, die wir nicht sehen möchten.

Obwohl Celluloseether seit vielen Jahren als Zusatzstoffe in GSP verwendet werden, wurde ihre Wirkung auf die Bildung unbenetzter Klumpen bisher kaum untersucht. Dieser Artikel stellt einen systematischen Ansatz vor, der verwendet werden kann, um die Grundursache der Agglomeration aus der Perspektive von Celluloseethern zu verstehen.

2. Gründe für die Bildung unbenetzter Klumpen im GSP

2.1 Benetzung gipshaltiger Putze

In den frühen Stadien der Erstellung des Forschungsprogramms wurden eine Reihe möglicher Grundursachen für die Bildung von Klumpen im CSP zusammengestellt. Anschließend wird mittels computergestützter Analyse das Problem darauf fokussiert, ob es eine praktische technische Lösung gibt. Durch diese Arbeiten wurde vorläufig die optimale Lösung für die Bildung von Agglomeraten im GSP herausgefunden. Der technische Weg, die Benetzung von Gipspartikeln durch Oberflächenbehandlung zu verändern, scheidet sowohl aus technischen als auch aus kommerziellen Gründen aus. Aus kommerzieller Sicht verbietet sich der Gedanke, die bestehende Anlage durch eine Spritzanlage mit einer speziell konstruierten Mischkammer zu ersetzen, die eine ausreichende Durchmischung von Wasser und Mörtel gewährleisten kann.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Netzmittel als Zusatzstoffe in Gipsputzformulierungen zu verwenden, wofür wir bereits ein Patent gefunden haben. Allerdings beeinträchtigt die Zugabe dieses Zusatzstoffes zwangsläufig die Verarbeitbarkeit des Putzes. Noch wichtiger ist, dass es die physikalischen Eigenschaften des Mörtels verändert, insbesondere Härte und Festigkeit. Deshalb haben wir uns nicht zu sehr damit beschäftigt. Darüber hinaus wird auch davon ausgegangen, dass der Zusatz von Netzmitteln möglicherweise negative Auswirkungen auf die Umwelt hat.

Wenn man bedenkt, dass Celluloseether bereits Bestandteil der gipsbasierten Putzformulierung ist, ist die Optimierung von Celluloseether selbst die beste Lösung, die gewählt werden kann. Gleichzeitig darf es weder das Wasserrückhaltevermögen beeinträchtigen noch die rheologischen Eigenschaften des verwendeten Putzes negativ beeinflussen. Basierend auf der zuvor vorgeschlagenen Hypothese, dass die Bildung nicht benetzter Pulver in GSP auf den übermäßig schnellen Anstieg der Viskosität von Celluloseethern nach Kontakt mit Wasser während des Rührens zurückzuführen ist, wurde die Steuerung der Auflösungseigenschaften von Celluloseethern zum Hauptziel unserer Studie .

2.2 Auflösungszeit von Celluloseether

Eine einfache Möglichkeit, die Auflösungsgeschwindigkeit von Celluloseethern zu verlangsamen, ist die Verwendung von Produkten in Granulatqualität. Der Hauptnachteil dieses Ansatzes bei der GSP besteht darin, dass zu grobe Partikel sich innerhalb des kurzen Rührfensters von 10 Sekunden im Sprühgerät nicht vollständig auflösen, was zu einem Verlust der Wasserretention führt. Darüber hinaus führt das Quellen von ungelöstem Celluloseether im späteren Stadium zu einer Verdickung nach dem Verputzen und beeinträchtigt die Bauleistung, was wir nicht sehen wollen.

Eine weitere Möglichkeit, die Auflösungsgeschwindigkeit von Celluloseethern zu verringern, besteht darin, die Oberfläche von Celluloseethern mit Glyoxal reversibel zu vernetzen. Da die Vernetzungsreaktion jedoch pH-kontrolliert ist, hängt die Auflösungsgeschwindigkeit von Celluloseethern stark vom pH-Wert der umgebenden wässrigen Lösung ab. Der pH-Wert des mit gelöschtem Kalk vermischten GSP-Systems ist sehr hoch, und die vernetzenden Bindungen von Glyoxal an der Oberfläche werden nach dem Kontakt mit Wasser schnell geöffnet und die Viskosität beginnt sofort anzusteigen. Daher können solche chemischen Behandlungen keine Rolle bei der Kontrolle der Auflösungsrate in GSP spielen.

Die Auflösungszeit von Celluloseethern hängt auch von ihrer Partikelmorphologie ab. Allerdings wurde dieser Tatsache bisher kaum Beachtung geschenkt, obwohl der Effekt sehr erheblich ist. Sie haben eine konstante lineare Auflösungsgeschwindigkeit [kg/(m2•s)], sodass ihre Auflösung und ihr Viskositätsaufbau proportional zur verfügbaren Oberfläche sind. Diese Rate kann mit Änderungen in der Morphologie der Cellulosepartikel erheblich variieren. In unseren Berechnungen wird davon ausgegangen, dass die volle Viskosität (100 %) nach 5 Sekunden Rühren erreicht wird.

Berechnungen unterschiedlicher Partikelmorphologien ergaben, dass kugelförmige Partikel bei der Hälfte der Mischzeit eine Viskosität von 35 % der Endviskosität aufwiesen. Im gleichen Zeitraum können stäbchenförmige Celluloseetherpartikel nur 10 % erreichen. Die scheibenförmigen Partikel begannen sich danach gerade aufzulösen2,5 Sekunden.

Ebenfalls enthalten sind ideale Löslichkeitseigenschaften für Celluloseether in GSP. Den anfänglichen Viskositätsaufbau um mehr als 4,5 Sekunden verzögern. Danach stieg die Viskosität schnell an und erreichte innerhalb von 5 Sekunden nach der Rühr- und Mischzeit die Endviskosität. Bei GSP ermöglicht eine so lange verzögerte Auflösungszeit, dass das System eine niedrige Viskosität aufweist und das hinzugefügte Wasser die Gipspartikel vollständig benetzen und ungestört in die Poren zwischen den Partikeln eindringen kann.

3. Partikelmorphologie von Celluloseether

3.1 Messung der Partikelmorphologie

Da die Form von Celluloseether-Partikeln einen so großen Einfluss auf die Löslichkeit hat, ist es zunächst notwendig, die Parameter zu bestimmen, die die Form von Celluloseether-Partikeln beschreiben, und dann die Unterschiede zwischen Nichtbenetzung zu identifizieren. Die Bildung von Agglomeraten ist ein besonders relevanter Parameter .

Wir haben die Partikelmorphologie von Celluloseether durch dynamische Bildanalysetechnik erhalten. Die Partikelmorphologie von Celluloseethern kann mit einem digitalen Bildanalysator von SYMPATEC (hergestellt in Deutschland) und speziellen Software-Analysetools vollständig charakterisiert werden. Als wichtigste Parameter der Partikelform erwiesen sich die durchschnittliche Länge der Fasern, ausgedrückt als LEFI(50,3), und der durchschnittliche Durchmesser, ausgedrückt als DIFI(50,3). Bei den Daten zur durchschnittlichen Faserlänge handelt es sich um die Gesamtlänge eines bestimmten ausgebreiteten Celluloseetherpartikels.

Normalerweise können Daten zur Partikelgrößenverteilung wie der durchschnittliche Faserdurchmesser DIFI auf der Grundlage der Anzahl der Partikel (bezeichnet mit 0), der Länge (bezeichnet mit 1), der Fläche (bezeichnet mit 2) oder des Volumens (bezeichnet mit 3) berechnet werden. Alle Partikeldatenmessungen in diesem Artikel basieren auf dem Volumen und werden daher mit dem Suffix 3 angegeben. Beispielsweise bedeutet in DIFI(50,3) 3 die Volumenverteilung und 50 bedeutet, dass 50 % der Partikelgrößenverteilungskurve kleiner als der angegebene Wert und die anderen 50 % größer als der angegebene Wert sind. Daten zur Form der Celluloseetherpartikel werden in Mikrometern (µm) angegeben.

3.2 Celluloseether nach Optimierung der Partikelmorphologie

Unter Berücksichtigung des Einflusses der Partikeloberfläche hängt die Partikelauflösungszeit von Celluloseetherpartikeln mit stäbchenförmiger Partikelform stark vom durchschnittlichen Faserdurchmesser DIFI (50,3) ab. Basierend auf dieser Annahme zielten die Entwicklungsarbeiten an Celluloseethern darauf ab, Produkte mit einem größeren durchschnittlichen Faserdurchmesser DIFI (50,3) zu erhalten, um die Löslichkeit des Pulvers zu verbessern.

Es ist jedoch nicht zu erwarten, dass ein Anstieg der durchschnittlichen Faserlänge DIFI(50,3) mit einem Anstieg der durchschnittlichen Partikelgröße einhergeht. Die gleichzeitige Erhöhung beider Parameter führt zu Partikeln, die zu groß sind, um sich innerhalb der typischen Rührzeit von 10 Sekunden beim mechanischen Sprühen vollständig aufzulösen.

Daher sollte eine ideale Hydroxyethylmethylcellulose (HEMC) einen größeren durchschnittlichen Faserdurchmesser DIFI(50,3) haben und gleichzeitig die durchschnittliche Faserlänge LEFI(50,3) beibehalten. Zur Herstellung eines verbesserten HEMC nutzen wir ein neues Celluloseether-Produktionsverfahren. Die Partikelform des durch dieses Herstellungsverfahren gewonnenen wasserlöslichen Celluloseethers unterscheidet sich völlig von der Partikelform der Cellulose, die als Rohstoff für die Produktion verwendet wird. Mit anderen Worten: Der Produktionsprozess ermöglicht es, die Partikelform des Celluloseethers unabhängig von seinen Produktionsrohstoffen zu gestalten.

Drei Rasterelektronenmikroskopbilder: eines von Celluloseether, hergestellt nach dem Standardverfahren, und eines von Celluloseether, hergestellt nach dem neuen Verfahren mit einem größeren Durchmesser von DIFI(50,3) als herkömmliche Prozesswerkzeugprodukte. Außerdem wird die Morphologie der fein gemahlenen Zellulose gezeigt, die bei der Herstellung dieser beiden Produkte verwendet wird.

Beim Vergleich der elektronenmikroskopischen Aufnahmen von Cellulose und Celluloseether, die nach dem Standardverfahren hergestellt wurden, lässt sich leicht feststellen, dass beide ähnliche morphologische Eigenschaften aufweisen. Die große Anzahl an Partikeln in beiden Bildern weist typischerweise lange, dünne Strukturen auf, was darauf hindeutet, dass sich die grundlegenden morphologischen Merkmale auch nach der chemischen Reaktion nicht verändert haben. Es ist klar, dass die Partikelmorphologieeigenschaften der Reaktionsprodukte stark mit den Rohstoffen korrelieren.

Es wurde festgestellt, dass sich die morphologischen Eigenschaften des mit dem neuen Verfahren hergestellten Celluloseethers erheblich unterscheiden, er einen größeren durchschnittlichen DIFI-Durchmesser (50,3) aufweist und hauptsächlich runde, kurze und dicke Partikelformen aufweist, während die typischen dünnen und langen Partikel vorliegen in Zelluloserohstoffen Fast ausgestorben.

Diese Abbildung zeigt erneut, dass die Partikelmorphologie der mit dem neuen Verfahren hergestellten Celluloseether nicht mehr mit der Morphologie des Celluloserohstoffs zusammenhängt – der Zusammenhang zwischen der Morphologie des Rohstoffs und dem Endprodukt besteht nicht mehr.

4. Einfluss der HEMC-Partikelmorphologie auf die Bildung unbenetzter Klumpen in GSP

GSP wurde unter Feldanwendungsbedingungen getestet, um zu bestätigen, dass unsere Hypothese über den Wirkmechanismus (dass die Verwendung eines Celluloseetherprodukts mit einem größeren mittleren Durchmesser DIFI (50,3) unerwünschte Agglomeration reduzieren würde) richtig war. In diesen Experimenten wurden HEMCs mit mittleren Durchmessern DIFI(50,3) im Bereich von 37 µm bis 52 µm verwendet. Um den Einfluss anderer Faktoren als der Partikelmorphologie zu minimieren, wurden der Gipsputzträger und alle anderen Zusatzstoffe unverändert beibehalten. Die Viskosität des Celluloseethers wurde während des Tests konstant gehalten (60.000 mPa.s, 2 %ige wässrige Lösung, gemessen mit einem HAAKE-Rheometer).

Bei den Anwendungsversuchen wurde zum Sprühen ein handelsübliches Gipssprühgerät (PFT G4) verwendet. Konzentrieren Sie sich auf die Beurteilung der Bildung unbenetzter Gipsmörtelklumpen unmittelbar nach dem Auftragen auf die Wand. Durch die Beurteilung der Klumpenbildung in dieser Phase des Putzauftragsprozesses lassen sich Unterschiede in der Produktleistung am besten erkennen. Im Test bewerteten erfahrene Arbeiter die Verklumpungssituation, wobei 1 die beste und 6 die schlechteste war.

Die Testergebnisse zeigen deutlich die Korrelation zwischen dem durchschnittlichen Faserdurchmesser DIFI (50,3) und dem Klumpenleistungswert. In Übereinstimmung mit unserer Hypothese, dass Celluloseetherprodukte mit größerem DIFI(50,3) kleinere DIFI(50,3)-Produkte übertrafen, betrug die durchschnittliche Bewertung für DIFI(50,3) von 52 µm 2 (gut), während diejenigen mit DIFI( 50,3) von 37 µm und 40 µm wurden mit 5 (nicht bestanden) bewertet.

Wie erwartet hängt das Klumpenverhalten bei GSP-Anwendungen maßgeblich vom durchschnittlichen Durchmesser DIFI(50,3) des verwendeten Celluloseethers ab. Darüber hinaus wurde in der vorherigen Diskussion erwähnt, dass DIFI(50,3) unter allen morphologischen Parametern die Auflösungszeit von Celluloseetherpulvern stark beeinflusst. Dies bestätigt, dass die Auflösungszeit des Celluloseethers, die stark mit der Partikelmorphologie korreliert, letztendlich die Bildung von Klumpen im GSP beeinflusst. Ein größerer DIFI (50,3) führt zu einer längeren Auflösungszeit des Pulvers, was die Wahrscheinlichkeit einer Agglomeration deutlich verringert. Eine zu lange Pulverauflösungszeit erschwert jedoch die vollständige Auflösung des Celluloseethers innerhalb der Rührzeit der Sprühausrüstung.

Das neue HEMC-Produkt mit einem optimierten Auflösungsprofil aufgrund eines größeren durchschnittlichen Faserdurchmessers DIFI(50,3) hat nicht nur eine bessere Benetzung des Gipspulvers (wie in der Klumpenbewertung zu sehen ist), sondern beeinträchtigt auch nicht die Wasserrückhalteleistung von das Produkt. Die nach EN 459-2 gemessene Wasserretention war von HEMC-Produkten gleicher Viskosität mit DIFI(50,3) von 37µm bis 52µm nicht zu unterscheiden. Alle Messungen nach 5 Minuten und 60 Minuten liegen innerhalb des in der Grafik dargestellten erforderlichen Bereichs.

Es wurde jedoch auch bestätigt, dass sich die Celluloseetherpartikel nicht mehr vollständig auflösen, wenn DIFI(50,3) zu groß wird. Dies wurde beim Testen eines DIFI(50,3)-Produkts mit 59 µM festgestellt. Die Ergebnisse des Wasserretentionstests nach 5 Minuten und insbesondere nach 60 Minuten erreichten nicht das erforderliche Minimum.

5. Zusammenfassung

Celluloseether sind wichtige Zusatzstoffe in GSP-Formulierungen. Die Forschungs- und Produktentwicklungsarbeiten beschäftigen sich hier mit dem Zusammenhang zwischen der Partikelmorphologie von Celluloseethern und der Bildung unbenetzter Klumpen (sog. Clumping) beim maschinellen Versprühen. Dem Wirkmechanismus liegt die Annahme zugrunde, dass die Auflösungszeit von Celluloseetherpulver die Benetzung von Gipspulver durch Wasser und damit die Klumpenbildung beeinflusst.

Die Auflösungszeit hängt von der Partikelmorphologie des Celluloseethers ab und kann mithilfe digitaler Bildanalysetools ermittelt werden. Bei GSP verfügen Celluloseether mit einem großen durchschnittlichen DIFI-Durchmesser (50,3) über optimierte Pulverauflösungseigenschaften, sodass das Wasser mehr Zeit hat, die Gipspartikel gründlich zu benetzen, was eine optimale Antiagglomeration ermöglicht. Dieser Celluloseethertyp wird mit einem neuen Produktionsverfahren hergestellt und seine Partikelform hängt nicht von der ursprünglichen Form des Produktionsrohstoffs ab.

Der durchschnittliche Faserdurchmesser DIFI (50,3) hat einen sehr wichtigen Einfluss auf die Verklumpung, was durch Zugabe dieses Produkts zu einer handelsüblichen maschinell gespritzten Gipsbasis zum Aufsprühen vor Ort bestätigt wurde. Darüber hinaus bestätigten diese Feldsprühtests unsere Laborergebnisse: Die leistungsstärksten Celluloseetherprodukte mit großem DIFI (50,3) waren innerhalb des Zeitfensters der GSP-Rührung vollständig löslich. Daher behält das Celluloseetherprodukt mit den besten Antibackeigenschaften nach der Verbesserung der Partikelform immer noch die ursprüngliche Wasserretentionsleistung bei.