توسعه اترهای سلولزی جدید HEMC برای کاهش تجمع در گچ های پاشیده شده با ماشین بر پایه گچ

توسعه اترهای سلولزی جدید HEMC برای کاهش تجمع در گچ های پاشیده شده با ماشین بر پایه گچ

گچ پاشیده شده با دستگاه گچ (GSP) به طور گسترده در اروپای غربی از دهه 1970 مورد استفاده قرار گرفت. ظهور سمپاشی مکانیکی به طور موثری کارایی ساخت و ساز گچ کاری را بهبود بخشیده و هزینه های ساخت و ساز را کاهش داده است. با تعمیق تجاری سازی GSP، اتر سلولز محلول در آب به یک افزودنی کلیدی تبدیل شده است. اتر سلولز به GSP عملکرد خوبی در حفظ آب می دهد که جذب رطوبت بستر را در گچ محدود می کند و در نتیجه زمان گیرش پایدار و خواص مکانیکی خوبی را به دست می آورد. علاوه بر این، منحنی رئولوژیکی خاص اتر سلولز می تواند اثر پاشش ماشینی را بهبود بخشد و فرآیندهای تسطیح و تکمیل ملات بعدی را به طور قابل توجهی ساده کند.

علیرغم مزایای آشکار اترهای سلولز در کاربردهای GSP، می‌تواند به طور بالقوه در تشکیل توده‌های خشک در هنگام پاشش کمک کند. این توده های خیس نشده به نام های کلوخه یا کیک نیز شناخته می شوند و می توانند بر تسطیح و تکمیل ملات تأثیر منفی بگذارند. انباشتگی می تواند کارایی سایت را کاهش دهد و هزینه کاربردهای محصول گچ با کارایی بالا را افزایش دهد. به منظور درک بهتر اثر اترهای سلولز بر تشکیل توده‌ها در GSP، ما مطالعه‌ای را انجام دادیم تا پارامترهای محصول مربوطه را که بر تشکیل آنها تأثیر می‌گذارند شناسایی کنیم. بر اساس نتایج این مطالعه، ما مجموعه‌ای از محصولات اتر سلولزی را با تمایل کمتر به آگلومره تولید کردیم و آنها را در کاربردهای عملی ارزیابی کردیم.

کلمات کلیدی: اتر سلولز؛ گچ پاش دستگاه گچ; نرخ انحلال؛ مورفولوژی ذرات

1. مقدمه

اترهای سلولز محلول در آب به طور موفقیت آمیزی در گچ های پاشیده شده با ماشین بر پایه گچ (GSP) برای تنظیم تقاضای آب، بهبود حفظ آب و بهبود خواص رئولوژیکی ملات ها استفاده شده است. بنابراین، به بهبود عملکرد ملات مرطوب کمک می کند و در نتیجه از مقاومت مورد نیاز ملات اطمینان می یابد. با توجه به خواص تجاری قابل دوام و سازگار با محیط زیست، مخلوط خشک GSP در 20 سال گذشته به یک مصالح ساختمانی داخلی پرکاربرد در سراسر اروپا تبدیل شده است.

ماشین آلات اختلاط و پاشش مخلوط خشک GSP برای چندین دهه با موفقیت تجاری شده است. اگرچه برخی از ویژگی‌های فنی تجهیزات تولیدکنندگان مختلف متفاوت است، همه دستگاه‌های پاشش تجاری موجود، زمان همزدن بسیار محدودی را برای مخلوط شدن آب با ملات گچ حاوی اتر سلولز فراهم می‌کنند. به طور کلی، کل فرآیند اختلاط تنها چند ثانیه طول می کشد. پس از اختلاط، ملات مرطوب از طریق شیلنگ تحویل پمپ شده و روی دیواره زیرلایه پاشیده می شود. کل فرآیند در عرض یک دقیقه کامل می شود. با این حال، در چنین مدت زمان کوتاهی، اترهای سلولز باید به طور کامل حل شوند تا به طور کامل خواص خود را در کاربرد توسعه دهند. افزودن محصولات اتر سلولز ریز آسیاب شده به فرمولاسیون ملات گچ انحلال کامل را در طول این فرآیند پاشش تضمین می کند.

اتر سلولز ریز آسیاب شده به سرعت در تماس با آب در هنگام هم زدن در سمپاش قوام ایجاد می کند. افزایش سریع ویسکوزیته ناشی از انحلال اتر سلولز باعث ایجاد مشکلاتی در خیس شدن همزمان آب ذرات ماده سیمانی گچ می شود. وقتی آب شروع به غلیظ شدن می کند، سیال کمتری پیدا می کند و نمی تواند به منافذ کوچک بین ذرات گچ نفوذ کند. پس از مسدود شدن دسترسی به منافذ، فرآیند خیس شدن ذرات مواد سیمانی توسط آب به تاخیر می افتد. زمان اختلاط در سمپاش کمتر از زمان مورد نیاز برای خیس شدن کامل ذرات گچ بود که منجر به تشکیل توده های پودر خشک در ملات مرطوب تازه شد. هنگامی که این توده ها تشکیل می شوند، مانع کارایی کارگران در فرآیندهای بعدی می شوند: تسطیح ملات با کلوخه بسیار مشکل است و زمان بیشتری را می طلبد. حتی پس از گیرش ملات، ممکن است توده های اولیه شکل گرفته ظاهر شوند. به عنوان مثال، پوشاندن توده های داخل در حین ساخت منجر به ظاهر شدن مناطق تیره در مرحله بعدی می شود که ما نمی خواهیم آن را ببینیم.

اگرچه اترهای سلولزی به عنوان مواد افزودنی در GSP برای سال‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند، تأثیر آن‌ها بر تشکیل توده‌های خیس‌نشده تا کنون چندان مورد مطالعه قرار نگرفته است. این مقاله یک رویکرد سیستماتیک را ارائه می دهد که می تواند برای درک علت اصلی تجمع از دیدگاه اتر سلولز مورد استفاده قرار گیرد.

2. دلایل تشکیل توده های خیس نشده در GSP

2.1 خیس شدن گچ بر پایه گچ

در مراحل اولیه ایجاد برنامه تحقیقاتی، تعدادی از علل ریشه ای احتمالی برای تشکیل توده ها در CSP جمع آوری شد. در مرحله بعد، از طریق تجزیه و تحلیل به کمک رایانه، مشکل بر روی این موضوع متمرکز می شود که آیا راه حل فنی عملی وجود دارد یا خیر. از طریق این کارها، راه حل بهینه برای تشکیل آگلومراها در GSP به طور مقدماتی غربال شد. از هر دو ملاحظات فنی و تجاری، مسیر فنی تغییر خیس شدن ذرات گچ با عملیات سطحی منتفی است. از دیدگاه تجاری، ایده جایگزینی تجهیزات موجود با تجهیزات پاشش با یک محفظه اختلاط با طراحی خاص که بتواند از اختلاط کافی آب و ملات اطمینان حاصل کند منتفی است.

گزینه دیگر استفاده از عوامل مرطوب کننده به عنوان افزودنی در فرمولاسیون گچ گچ است و ما قبلاً یک حق ثبت اختراع برای این کار پیدا کرده ایم. با این حال، افزودن این افزودنی به طور اجتناب ناپذیری بر کارایی گچ تأثیر منفی می گذارد. مهمتر از آن، خواص فیزیکی ملات به ویژه سختی و استحکام را تغییر می دهد. بنابراین ما خیلی عمیق در آن کاوش نکردیم. علاوه بر این، افزودن عوامل مرطوب کننده نیز احتمالاً تأثیر نامطلوبی بر محیط زیست دارد.

با توجه به اینکه اتر سلولز در حال حاضر بخشی از فرمول گچ مبتنی بر گچ است، بهینه سازی اتر سلولز خود بهترین راه حلی است که می توان انتخاب کرد. در عین حال، نباید بر خواص نگهداری آب تأثیر بگذارد یا تأثیر نامطلوبی بر خواص رئولوژیکی گچ مورد استفاده داشته باشد. بر اساس فرضیه پیشنهادی قبلی مبنی بر اینکه تولید پودرهای خیس نشده در GSP به دلیل افزایش بیش از حد سریع ویسکوزیته اترهای سلولزی پس از تماس با آب در حین هم زدن است، کنترل ویژگی های انحلال اترهای سلولزی به هدف اصلی مطالعه ما تبدیل شد. .

2.2 زمان انحلال اتر سلولز

یک راه آسان برای کاهش سرعت انحلال اترهای سلولزی استفاده از محصولات با گرید گرانول است. عیب اصلی استفاده از این روش در GSP این است که ذرات خیلی درشت به طور کامل در پنجره کوتاه 10 ثانیه ای هم زدن در سمپاش حل نمی شوند که منجر به از دست دادن احتباس آب می شود. علاوه بر این، تورم اتر سلولز حل نشده در مرحله بعدی منجر به ضخیم شدن پس از گچ کاری می شود و بر عملکرد ساخت و ساز تأثیر می گذارد، چیزی که ما نمی خواهیم ببینیم.

گزینه دیگر برای کاهش سرعت انحلال اترهای سلولز، پیوند متقابل برگشت پذیر سطح اترهای سلولز با گلیوکسال است. با این حال، از آنجایی که واکنش اتصال عرضی با pH کنترل می شود، سرعت انحلال اترهای سلولز به شدت به pH محلول آبی اطراف بستگی دارد. مقدار pH سیستم GSP مخلوط با آهک کدر شده بسیار بالا است و پیوندهای متقابل گلیوکسال روی سطح پس از تماس با آب به سرعت باز می شوند و ویسکوزیته بلافاصله شروع به افزایش می کند. بنابراین، چنین تیمارهای شیمیایی نمی توانند نقشی در کنترل میزان انحلال در GSP داشته باشند.

زمان انحلال اترهای سلولزی نیز به مورفولوژی ذرات آنها بستگی دارد. با این حال، این واقعیت تاکنون چندان مورد توجه قرار نگرفته است، اگرچه تأثیر آن بسیار قابل توجه است. سرعت انحلال خطی ثابت [kg/(m2) دارند•s)]، بنابراین انحلال و افزایش ویسکوزیته آنها متناسب با سطح موجود است. این میزان می تواند با تغییر در مورفولوژی ذرات سلولز به طور قابل توجهی متفاوت باشد. در محاسبات ما فرض می شود که ویسکوزیته کامل (100%) پس از 5 ثانیه اختلاط همزن به دست می آید.

محاسبات مورفولوژی ذرات مختلف نشان داد که ذرات کروی دارای ویسکوزیته 35 درصد ویسکوزیته نهایی در نیمی از زمان اختلاط هستند. در همان دوره زمانی، ذرات اتر سلولز میله ای شکل تنها می توانند به 10٪ برسند. ذرات دیسکی شکل به تازگی شروع به حل شدن کردند2.5 ثانیه

همچنین ویژگی های حلالیت ایده آل برای اترهای سلولز در GSP گنجانده شده است. افزایش ویسکوزیته اولیه را بیش از 4.5 ثانیه به تاخیر بیندازید. پس از آن، ویسکوزیته به سرعت افزایش یافت تا در عرض 5 ثانیه از زمان هم زدن به ویسکوزیته نهایی برسد. در GSP، چنین زمان انحلال طولانی با تاخیر به سیستم اجازه می دهد ویسکوزیته پایینی داشته باشد و آب اضافه شده می تواند ذرات گچ را کاملا خیس کند و بدون مزاحمت وارد منافذ بین ذرات شود.

3. مورفولوژی ذرات اتر سلولز

3.1 اندازه گیری مورفولوژی ذرات

از آنجایی که شکل ذرات اتر سلولز تأثیر قابل توجهی بر حلالیت دارد، ابتدا لازم است پارامترهای توصیف کننده شکل ذرات سلولز اتر تعیین شود و سپس تفاوت بین غیر مرطوب شونده مشخص شود. تشکیل آگلومراها یک پارامتر مرتبط است. .

ما مورفولوژی ذرات اتر سلولز را با تکنیک تجزیه و تحلیل تصویر پویا به دست آوردیم. مورفولوژی ذرات اترهای سلولزی را می توان با استفاده از یک تحلیلگر تصویر دیجیتال SYMPATEC (ساخت آلمان) و ابزارهای آنالیز نرم افزاری خاص مشخص کرد. مهمترین پارامترهای شکل ذرات، میانگین طول الیاف بیان شده به صورت LEFI (50،3) و قطر متوسط ​​بیان شده به عنوان DIFI (50،3) است. داده‌های طول متوسط ​​فیبر طول کامل یک ذره اتر سلولز پخش شده خاص در نظر گرفته می‌شود.

معمولاً داده‌های توزیع اندازه ذرات مانند میانگین قطر فیبر DIFI ممکن است بر اساس تعداد ذرات (که با 0 نشان داده می‌شود)، طول (با 1)، مساحت (با 2 نشان داده می‌شود) یا حجم (با علامت 3) محاسبه شود. تمام اندازه‌گیری‌های داده‌های ذرات در این مقاله بر اساس حجم هستند و بنابراین با پسوند 3 نشان داده شده‌اند. به عنوان مثال، در DIFI(50,3)، 3 به معنای توزیع حجم است، و 50 به این معنی است که 50٪ منحنی توزیع اندازه ذرات کوچکتر از مقدار نشان داده شده است، و 50٪ دیگر بزرگتر از مقدار نشان داده شده است. داده های شکل ذرات اتر سلولز بر حسب میکرومتر (μm) داده شده است.

3.2 اتر سلولزی پس از بهینه سازی مورفولوژی ذرات

با در نظر گرفتن تأثیر سطح ذرات، زمان انحلال ذرات ذرات اتر سلولز با شکل ذرات میله‌ای به شدت به میانگین قطر فیبر DIFI بستگی دارد (50،3). بر اساس این فرض، کار توسعه روی اترهای سلولزی با هدف به دست آوردن محصولاتی با قطر فیبر متوسط ​​بزرگتر DIFI (50،3) برای بهبود حلالیت پودر انجام شد.

با این حال، افزایش متوسط ​​طول فیبر DIFI (50،3) انتظار نمی رود که با افزایش متوسط ​​اندازه ذرات همراه باشد. افزایش هر دو پارامتر با هم منجر به ایجاد ذراتی می شود که برای حل شدن کامل در زمان هم زدن 10 ثانیه ای اسپری مکانیکی بسیار بزرگ هستند.

بنابراین، یک هیدروکسی اتیل متیل سلولز ایده آل (HEMC) باید دارای قطر متوسط ​​فیبر DIFI (50،3) بزرگتر باشد و در عین حال میانگین طول فیبر LEFI (50،3) را حفظ کند. ما از یک فرآیند جدید تولید اتر سلولز برای تولید HEMC بهبود یافته استفاده می کنیم. شکل ذرات اتر سلولز محلول در آب که از طریق این فرآیند تولید به دست می آید، کاملاً با شکل ذرات سلولز مورد استفاده به عنوان ماده اولیه تولید متفاوت است. به عبارت دیگر، فرآیند تولید اجازه می دهد تا طراحی شکل ذرات اتر سلولز مستقل از مواد اولیه تولید آن باشد.

سه تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی: یکی از اتر سلولز تولید شده توسط فرآیند استاندارد، و دیگری از اتر سلولز تولید شده توسط فرآیند جدید با قطر بزرگتر DIFI (50،3) نسبت به محصولات ابزار فرآیند معمولی. همچنین مورفولوژی سلولز ریز آسیاب شده در تولید این دو محصول نشان داده شده است.

با مقایسه میکروگراف های الکترونی سلولز و اتر سلولز تولید شده توسط فرآیند استاندارد، به راحتی می توان دریافت که این دو دارای ویژگی های مورفولوژیکی مشابهی هستند. تعداد زیاد ذرات در هر دو تصویر معمولاً ساختارهای بلند و نازکی را نشان می‌دهند که نشان می‌دهد ویژگی‌های مورفولوژیکی اساسی حتی پس از انجام واکنش شیمیایی تغییر نکرده است. واضح است که خصوصیات مورفولوژی ذرات محصولات واکنش به شدت با مواد خام همبستگی دارد.

مشخص شد که خصوصیات مورفولوژیکی اتر سلولز تولید شده توسط فرآیند جدید به طور قابل توجهی متفاوت است، دارای قطر متوسط ​​DIFI بزرگتر (50،3) است و عمدتاً اشکال گرد و کوتاه و ضخیم را ارائه می دهد، در حالی که ذرات معمولی نازک و بلند است. در مواد خام سلولزی تقریباً منقرض شده است.

این شکل دوباره نشان می‌دهد که مورفولوژی ذرات اترهای سلولز تولید شده توسط فرآیند جدید دیگر به مورفولوژی مواد خام سلولز مرتبط نیست - پیوند بین مورفولوژی ماده خام و محصول نهایی دیگر وجود ندارد.

4. تأثیر مورفولوژی ذرات HEMC بر تشکیل توده های خیس نشده در GSP

GSP در شرایط کاربرد میدانی آزمایش شد تا تأیید شود که فرضیه ما در مورد مکانیسم کار (اینکه استفاده از یک محصول اتر سلولزی با قطر متوسط ​​DIFI (50،3) تراکم ناخواسته را کاهش می‌دهد) صحیح است. HEMCs با میانگین قطر DIFI (50،3) در محدوده 37 میکرومتر تا 52 میکرومتر در این آزمایش‌ها استفاده شد. به منظور به حداقل رساندن تأثیر عواملی غیر از مورفولوژی ذرات، پایه گچ گچ و سایر مواد افزودنی بدون تغییر نگه داشته شدند. ویسکوزیته اتر سلولز در طول آزمایش ثابت نگه داشته شد (60000 mPa.s، محلول آبی 2٪، اندازه گیری شده با رئومتر HAAKE).

یک سمپاش گچ تجاری موجود (PFT G4) برای سمپاشی در آزمایش های کاربردی استفاده شد. روی ارزیابی تشکیل توده های خیس نشده ملات گچ بلافاصله پس از اعمال آن روی دیوار تمرکز کنید. ارزیابی کلوخه شدن در این مرحله در طول فرآیند کاربرد گچکاری، تفاوت ها را در عملکرد محصول به بهترین وجه آشکار می کند. در آزمایش، کارگران با تجربه وضعیت کلوخه را ارزیابی کردند که 1 بهترین و 6 بدترین بود.

نتایج آزمون به وضوح ارتباط بین میانگین قطر فیبر DIFI (50،3) و نمره عملکرد کلوخه را نشان می دهد. مطابق با فرضیه ما که محصولات اتر سلولزی با DIFI (50،3) بزرگتر از محصولات DIFI (50،3) کوچکتر عملکرد بهتری داشتند، میانگین امتیاز برای DIFI (50،3) 52 میکرومتر 2 (خوب) بود، در حالی که محصولات با DIFI( 50،3) از 37 میکرومتر و 40 میکرومتر امتیاز 5 (شکست) را کسب کردند.

همانطور که انتظار داشتیم، رفتار انباشتگی در کاربردهای GSP به طور قابل توجهی به قطر متوسط ​​DIFI (50,3) اتر سلولز مورد استفاده بستگی دارد. علاوه بر این، در بحث قبلی ذکر شد که در بین تمام پارامترهای مورفولوژیکی DIFI(50،3) به شدت بر زمان انحلال پودرهای اتر سلولزی تأثیر گذاشت. این تأیید می کند که زمان انحلال اتر سلولز، که ارتباط زیادی با مورفولوژی ذرات دارد، در نهایت بر تشکیل توده ها در GSP تأثیر می گذارد. یک DIFI بزرگتر (50،3) باعث زمان انحلال طولانی تری پودر می شود که به طور قابل توجهی احتمال تجمع را کاهش می دهد. با این حال، زمان انحلال بیش از حد پودر، حل شدن کامل اتر سلولز را در مدت زمان هم زدن تجهیزات اسپری دشوار می کند.

محصول جدید HEMC با مشخصات انحلال بهینه به دلیل قطر متوسط ​​فیبر بزرگتر DIFI (50،3) نه تنها مرطوب شدن بهتر پودر گچ (همانطور که در ارزیابی کلوخه شدن مشاهده می شود)، بلکه بر عملکرد حفظ آب تأثیر نمی گذارد. محصول احتباس آب اندازه گیری شده بر اساس EN 459-2 از محصولات HEMC با ویسکوزیته یکسان با DIFI (50,3) از 37 میکرومتر تا 52 میکرومتر قابل تشخیص نبود. تمام اندازه گیری ها بعد از 5 دقیقه و 60 دقیقه در محدوده مورد نیاز نشان داده شده در نمودار قرار می گیرند.

با این حال، همچنین تأیید شد که اگر DIFI(50,3) بیش از حد بزرگ شود، ذرات اتر سلولز دیگر به طور کامل حل نمی شوند. این در هنگام آزمایش یک محصول DIFI (50،3) 59 میکرومولار یافت شد. نتایج تست احتباس آب آن پس از 5 دقیقه و به خصوص پس از 60 دقیقه نتوانست حداقل مورد نیاز را برآورده کند.

5. خلاصه

اترهای سلولزی از مواد افزودنی مهم در فرمولاسیون GSP هستند. کار تحقیق و توسعه محصول در اینجا به همبستگی بین مورفولوژی ذرات اترهای سلولز و تشکیل توده‌های خیس نشده (به اصطلاح کلوخه) هنگام پاشش مکانیکی می‌پردازد. بر اساس این فرض مکانیسم کار است که زمان انحلال پودر اتر سلولز بر خیس شدن پودر گچ توسط آب تأثیر می گذارد و بنابراین بر تشکیل توده ها تأثیر می گذارد.

زمان انحلال به مورفولوژی ذرات اتر سلولز بستگی دارد و می توان با استفاده از ابزارهای تجزیه و تحلیل تصویر دیجیتال به دست آورد. در GSP، اترهای سلولزی با قطر متوسط ​​بزرگ DIFI (50،3) دارای ویژگی‌های انحلال پودری بهینه‌سازی شده‌اند، که زمان بیشتری را برای خیس کردن کامل ذرات گچ در اختیار آب قرار می‌دهد و در نتیجه ضد تجمع بهینه را ممکن می‌سازد. این نوع اتر سلولزی با استفاده از فرآیند تولید جدید تولید می شود و شکل ذرات آن به شکل اصلی ماده اولیه تولید بستگی ندارد.

قطر متوسط ​​الیاف DIFI (50،3) تأثیر بسیار مهمی بر کلوخه شدن دارد که با افزودن این محصول به پایه گچ پاشیده شده با ماشین تجاری موجود برای پاشش در محل تأیید شده است. علاوه بر این، این آزمایش‌های اسپری صحرایی نتایج آزمایشگاهی ما را تأیید کرد: بهترین عملکرد محصولات اتر سلولزی با DIFI بزرگ (50،3) در بازه زمانی هم‌زدن GSP کاملاً محلول بودند. بنابراین، محصول اتر سلولزی با بهترین خواص ضد گیر پس از بهبود شکل ذرات، همچنان عملکرد اصلی حفظ آب را حفظ می کند.