اتر سلولز غیر یونی در سیمان پلیمری

اتر سلولز غیریونی به عنوان یک افزودنی ضروری در سیمان پلیمری مورد توجه و تحقیقات گسترده قرار گرفته است. بر اساس ادبیات مربوطه در داخل و خارج از کشور، قانون و مکانیسم ملات سیمانی اصلاح شده با اتر سلولز غیریونی از جنبه‌های انواع و انتخاب اتر سلولز غیر یونی، تأثیر آن بر خواص فیزیکی سیمان پلیمری مورد بحث قرار گرفت. تاثیر آن بر میکرومورفولوژی و خواص مکانیکی و کاستی های تحقیق حاضر مطرح شد. این کار کاربرد اتر سلولز را در سیمان پلیمری ترویج خواهد کرد.

کلمات کلیدی: اتر سلولز غیریونیسیمان پلیمری خواص فیزیکی خواص مکانیکی ریزساختار

1. بررسی اجمالی

با افزایش تقاضا و الزامات عملکردی سیمان پلیمری در صنعت ساختمان، افزودن مواد افزودنی به اصلاح آن به یک کانون تحقیقاتی تبدیل شده است که در این میان اتر سلولز به دلیل تأثیر آن بر احتباس آب ملات سیمان، ضخیم شدن، کند شدن هوا، به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. و غیره در این مقاله انواع اتر سلولز، اثرات بر خواص فیزیکی و مکانیکی سیمان پلیمری و میکرومورفولوژی سیمان پلیمری شرح داده شده است که مرجعی نظری برای کاربرد اتر سلولز در سیمان پلیمری ارائه می‌دهد.

2. انواع اتر سلولز غیریونی

سلولز اتر نوعی ترکیب پلیمری با ساختار اتری است که از سلولز ساخته شده است. انواع بسیاری از اتر سلولزی وجود دارد که تأثیر زیادی بر خواص مواد مبتنی بر سیمان دارد و انتخاب آن دشوار است. با توجه به ساختار شیمیایی جانشین ها می توان آنها را به اترهای آنیونی، کاتیونی و غیریونی تقسیم کرد. اتر سلولز غیریونی با جایگزین زنجیره جانبی H، cH3، c2H5، (cH2cH20)nH، [cH2cH(cH3)0]nH و سایر گروه‌های غیرقابل تفکیک بیشترین استفاده را در سیمان دارند، نمایندگان معمولی متیل سلولز اتر، هیدروکسی پروپیل متیل هستند. اتر سلولز، اتر هیدروکسی اتیل متیل سلولز، اتر هیدروکسی اتیل سلولز و غیره. انواع مختلف اترهای سلولزی اثرات متفاوتی بر زمان گیرش سیمان دارند. طبق گزارشات قبلی، HEC قوی ترین قابلیت کند کنندگی سیمان را دارد، پس از آن HPMc و HEMc و Mc بدترین را دارند. برای یک نوع اتر سلولز، وزن مولکولی یا ویسکوزیته، محتوای متیل، هیدروکسی اتیل، هیدروکسی پروپیل این گروه ها متفاوت است، اثر کند کنندگی آن نیز متفاوت است. به طور کلی، هر چه ویسکوزیته بیشتر و محتوای گروه های غیرقابل تفکیک بیشتر باشد، توانایی تاخیر بدتر است. بنابراین، در فرآیند تولید واقعی، با توجه به الزامات انعقاد ملات تجاری، می توان محتوای گروه عملکردی مناسب اتر سلولز را انتخاب کرد. یا در تولید اتر سلولز در همان زمان، محتوای گروه های عاملی را تنظیم کنید، آن را مطابق با ملات مختلف ملات کنید.

3،تاثیر اتر سلولز غیریونی بر خواص فیزیکی سیمان پلیمری

3.1 انعقاد آهسته

به منظور طولانی شدن زمان سخت شدن هیدراتاسیون سیمان، به طوری که ملات تازه مخلوط شده در مدت زمان طولانی پلاستیکی باقی بماند، به طوری که زمان گیرش ملات تازه مخلوط شده را تنظیم کند، عملکرد آن را بهبود بخشد، معمولاً کندکننده در ملات اضافه می شود. اتر سلولز یونی مناسب برای سیمان پلیمری یک کندکننده رایج است.

اثر کند کنندگی اتر سلولز غیریونی روی سیمان عمدتاً تحت تأثیر نوع خاص خود، ویسکوزیته، دوز، ترکیبات مختلف مواد معدنی سیمان و سایر عوامل است. پورچز ج و همکاران نشان داد که هر چه درجه متیلاسیون اتر سلولز بیشتر باشد، اثر کند کنندگی بدتر است، در حالی که وزن مولکولی اتر سلولز و محتوای هیدروکسی پروپوکسی اثر ضعیفی بر تاخیر هیدراتاسیون سیمان دارد. با افزایش ویسکوزیته و مقدار دوپینگ اتر سلولز غیریونی، لایه جذب سطحی ذرات سیمان ضخیم می شود و زمان گیرش اولیه و نهایی سیمان طولانی می شود و اثر کند کنندگی آشکارتر می شود. مطالعات نشان داده اند که آزاد شدن حرارت اولیه دوغاب های سیمانی با محتوای HEMC متفاوت حدود 15 درصد کمتر از دوغاب سیمان خالص است، اما تفاوت قابل توجهی در فرآیند هیدراتاسیون بعدی وجود ندارد. سینگ NK و همکاران نشان داد که با افزایش مقدار دوپینگ HEc، رهایش گرمای هیدراتاسیون ملات سیمان اصلاح شده ابتدا روند افزایشی و سپس کاهشی را نشان داد و میزان HEC هنگام رسیدن به حداکثر آزادسازی گرمای هیدراتاسیون با سن پخت مرتبط بود.

علاوه بر این، مشخص شد که اثر کند کنندگی اتر سلولز غیریونی ارتباط نزدیکی با ترکیب سیمان دارد. پسچارد و همکاران دریافتند که هرچه محتوای تری کلسیم آلومینات (C3A) در سیمان کمتر باشد، اثر کند کنندگی اتر سلولز آشکارتر است. اشمیتز ال و همکاران اعتقاد بر این بود که این امر ناشی از راه های مختلف اتر سلولز به سینتیک هیدراتاسیون سیلیکات تری کلسیم (C3S) و تری کلسیم آلومینات (C3A) است. اتر سلولزی می تواند سرعت واکنش را در دوره شتاب C3S کاهش دهد، در حالی که برای C3A می تواند دوره القاء را طولانی کند و در نهایت فرآیند انجماد و سخت شدن ملات را به تاخیر بیندازد.

نظرات مختلفی در مورد مکانیسم اتر سلولز غیریونی که هیدراتاسیون سیمان را به تاخیر می اندازد وجود دارد. سیلوا و همکاران لیو معتقد بود که معرفی اتر سلولز باعث افزایش ویسکوزیته محلول منافذ می شود و در نتیجه حرکت یون ها را مسدود می کند و تراکم را به تاخیر می اندازد. با این حال، پورچز و همکاران. اعتقاد بر این بود که رابطه آشکاری بین تاخیر اتر سلولز به هیدراتاسیون سیمان و ویسکوزیته دوغاب سیمان وجود دارد. نظریه دیگر این است که اثر کند کنندگی اتر سلولز ارتباط نزدیکی با تخریب قلیایی دارد. پلی ساکاریدها به راحتی تجزیه می شوند و هیدروکسیل کربوکسیلیک اسید تولید می کنند که می تواند هیدراتاسیون سیمان را در شرایط قلیایی به تاخیر بیندازد. با این حال، مطالعات نشان داده اند که اتر سلولز در شرایط قلیایی بسیار پایدار است و فقط اندکی تجزیه می شود و تخریب تاثیر کمی بر تاخیر هیدراتاسیون سیمان دارد. در حال حاضر، دیدگاه سازگارتر این است که اثر کند کنندگی عمدتاً ناشی از جذب است. به طور خاص، گروه هیدروکسیل در سطح مولکولی اتر سلولز اسیدی است، ca(0H) در سیستم سیمان هیدراتاسیون، و سایر فازهای معدنی قلیایی هستند. تحت اثر هم افزایی پیوند هیدروژنی، کمپلکس و آبگریز، مولکول های اتر سلولز اسیدی روی سطح ذرات قلیایی سیمان و محصولات هیدراتاسیون جذب می شوند. علاوه بر این، یک لایه نازک روی سطح آن تشکیل می شود که مانع از رشد بیشتر این هسته های کریستالی فاز معدنی شده و هیدراتاسیون و گیرش سیمان را به تاخیر می اندازد. هرچه ظرفیت جذب بین محصولات هیدراتاسیون سیمان و اتر سلولز قوی تر باشد، تاخیر هیدراتاسیون سیمان آشکارتر است. از یک طرف، اندازه مانع فضایی نقش تعیین کننده ای در ظرفیت جذب دارد، مانند مانع فضایی کوچک گروه هیدروکسیل، اسیدیته قوی آن، جذب نیز قوی است. از طرف دیگر، ظرفیت جذب به ترکیب محصولات هیدراتاسیون سیمان نیز بستگی دارد. پورچز و همکاران دریافتند که اتر سلولز به راحتی به سطح محصولات هیدراتاسیون مانند ca(0H)2، ژل csH و هیدرات آلومینات کلسیم جذب می شود، اما جذب آن توسط اترینگیت و فاز بدون هیدراته آسان نیست. مطالعه مولرت همچنین نشان داد که اتر سلولز دارای جذب قوی روی c3s و محصولات هیدراتاسیون آن است، بنابراین هیدراتاسیون فاز سیلیکات به طور قابل توجهی به تاخیر افتاد. جذب اترینگیت کم بود، اما تشکیل اترینگیت به طور قابل توجهی به تاخیر افتاد. این به این دلیل بود که تأخیر در تشکیل اترینگیت تحت تأثیر تعادل ca2 + در محلول بود که ادامه تأخیر اتر سلولز در هیدراتاسیون سیلیکات بود.

3.2 حفظ آب

اثر اصلاحی مهم دیگر اتر سلولز در ملات سیمان، ظاهر شدن به عنوان یک عامل نگهدارنده آب است که می تواند از تبخیر زودرس رطوبت موجود در ملات مرطوب یا جذب پایه جلوگیری کند و هیدراتاسیون سیمان را به تعویق بیاندازد و زمان کارکرد آن را افزایش دهد. ملات مرطوب، به طوری که ملات نازک را می توان شانه کرد، ملات گچ کاری شده را می توان پخش کرد و ملات آسان برای جذب نیازی به از قبل خیس شدن ندارد.

ظرفیت نگهداری آب اتر سلولز ارتباط نزدیکی با ویسکوزیته، دوز، نوع و دمای محیط دارد. سایر شرایط یکسان است، هرچه ویسکوزیته اتر سلولز بیشتر باشد، اثر حفظ آب بهتر است، مقدار کمی اتر سلولز می تواند میزان نگهداری آب ملات را تا حد زیادی بهبود بخشد. برای همان اتر سلولزی، هر چه مقدار اضافه شده بیشتر باشد، میزان نگهداری آب ملات اصلاح شده بیشتر است، اما یک مقدار بهینه وجود دارد که فراتر از آن، میزان نگهداری آب به آرامی افزایش می‌یابد. برای انواع مختلف اتر سلولز، تفاوت هایی در احتباس آب نیز وجود دارد، مانند HPMc در شرایط یکسان نسبت به احتباس آب بهتر مک. علاوه بر این، عملکرد احتباس آب اتر سلولز با افزایش دمای محیط کاهش می یابد.

عموماً اعتقاد بر این است که دلیل اینکه اتر سلولز عملکرد احتباس آب را دارد عمدتاً به دلیل 0H روی مولکول است و اتم 0 روی پیوند اتر با مولکول‌های آب برای سنتز پیوند هیدروژنی مرتبط می‌شود، به طوری که آب آزاد متصل می‌شود. آب، به طوری که نقش خوبی در حفظ آب داشته باشد. همچنین اعتقاد بر این است که زنجیره ماکرومولکولی اتر سلولز نقش محدود کننده ای در انتشار مولکول های آب ایفا می کند، به طوری که به طور موثری تبخیر آب را کنترل می کند تا به احتباس آب زیاد برسد. پورچز J استدلال کرد که اتر سلولز با بهبود خواص رئولوژیکی دوغاب سیمان تازه مخلوط شده، ساختار شبکه متخلخل و تشکیل فیلم اتر سلولزی که مانع از انتشار آب می شود، به اثر حفظ آب دست می یابد. Laetitia P و همکاران. همچنین معتقدند که ویژگی رئولوژیکی ملات یک عامل کلیدی است، اما همچنین معتقدند که ویسکوزیته تنها عامل تعیین کننده عملکرد عالی در حفظ آب ملات نیست. شایان ذکر است که اگرچه اتر سلولز عملکرد خوبی در حفظ آب دارد، اما جذب آب ملات سیمان سخت شده اصلاح شده آن کاهش می یابد، دلیل آن این است که اتر سلولز در لایه ملات و در ملات تعداد زیادی منافذ کوچک بسته، مسدود می شود. ملات داخل مویرگ

3.3 ضخیم شدن

قوام ملات یکی از شاخص های مهم برای اندازه گیری عملکرد کاری آن است. اتر سلولز اغلب برای افزایش قوام معرفی می شود. "پیوستگی" نشان دهنده توانایی ملات تازه مخلوط شده برای جاری شدن و تغییر شکل تحت اثر گرانش یا نیروهای خارجی است. دو خاصیت غلیظ شدن و حفظ آب مکمل یکدیگر هستند. افزودن مقدار مناسب اتر سلولز نه تنها می تواند عملکرد حفظ آب ملات را بهبود بخشد، ساخت و ساز صاف را تضمین کند، بلکه قوام ملات را افزایش می دهد، به طور قابل توجهی توانایی ضد پراکندگی سیمان را افزایش می دهد، عملکرد پیوند بین ملات و ماتریس را بهبود می بخشد و کاهش پدیده افتادگی ملات.

اثر ضخیم شدن اتر سلولز عمدتاً از ویسکوزیته خود ناشی می شود ، هر چه ویسکوزیته بیشتر باشد ، اثر ضخیم شدن بهتر است ، اما اگر ویسکوزیته خیلی زیاد باشد ، سیالیت ملات را کاهش می دهد و بر ساخت و ساز تأثیر می گذارد. عوامل موثر بر تغییر ویسکوزیته مانند وزن مولکولی (یا درجه پلیمریزاسیون) و غلظت اتر سلولز، دمای محلول، سرعت برش، بر اثر ضخیم شدن نهایی تأثیر خواهند گذاشت.

مکانیسم ضخیم شدن اتر سلولز عمدتاً از هیدراتاسیون و درهم تنیدگی بین مولکول ها ناشی می شود. از یک طرف، زنجیره پلیمری اتر سلولز به راحتی با آب در آب پیوند هیدروژنی تشکیل می دهد، پیوند هیدروژنی باعث می شود که هیدراتاسیون بالایی داشته باشد. از طرف دیگر، هنگامی که اتر سلولز به ملات اضافه می شود، آب زیادی جذب می کند، به طوری که حجم خود را به شدت افزایش می دهد و فضای آزاد ذرات را کاهش می دهد، در عین حال زنجیره های مولکولی اتر سلولز با یکدیگر در هم می آمیزند. برای تشکیل یک ساختار شبکه سه بعدی، ذرات ملات احاطه شده اند که در آن جریان آزاد نیست. به عبارت دیگر، تحت این دو عمل، ویسکوزیته سیستم بهبود یافته و در نتیجه به اثر ضخیم شدن مورد نظر دست می یابد.

4. تأثیر اتر سلولز غیریونی بر مورفولوژی و ساختار منافذ سیمان پلیمری

همانطور که از مطالب فوق مشاهده می شود، اتر سلولز غیریونی نقش حیاتی در سیمان پلیمری ایفا می کند و افزودن آن مطمئناً بر ریزساختار کل ملات سیمان تأثیر می گذارد. نتایج نشان می‌دهد که اتر سلولز غیریونی معمولاً تخلخل ملات سیمان را افزایش می‌دهد و تعداد منافذ در اندازه‌های 3 نانومتر تا 350 میلی‌متر افزایش می‌یابد که در این میان تعداد منافذ در محدوده 100 نانومتر تا 500 نانومتر بیشترین افزایش را دارد. تأثیر بر ساختار منافذ ملات سیمان ارتباط نزدیکی با نوع و ویسکوزیته اتر سلولز غیر یونی اضافه شده دارد. Ou Zhihua و همکاران. اعتقاد بر این بود که وقتی ویسکوزیته یکسان است، تخلخل ملات سیمانی اصلاح شده توسط HEC کوچکتر از HPMc و Mc اضافه شده به عنوان اصلاح کننده است. برای همان اتر سلولزی، هرچه ویسکوزیته کمتر باشد، تخلخل ملات سیمان اصلاح شده کمتر است. وانگ یانرو و همکاران با مطالعه اثر HPMc بر دیافراگم تخته عایق سیمانی فوم دار. دریافتند که افزودن HPMC به طور قابل توجهی تخلخل را تغییر نمی دهد، اما می تواند به طور قابل توجهی دیافراگم را کاهش دهد. با این حال، Zhang Guodian و همکاران. دریافتند که هر چه محتوای HEMc بیشتر باشد، تأثیر آشکارتر بر ساختار منافذ دوغاب سیمان است. افزودن HEMc می تواند به طور قابل توجهی تخلخل، حجم کل منافذ و متوسط ​​شعاع منافذ دوغاب سیمان را افزایش دهد، اما سطح ویژه منافذ کاهش می یابد و تعداد منافذ بزرگ مویرگی بزرگتر از 50 نانومتر در قطر به طور قابل توجهی افزایش می یابد و منافذ معرفی شده به طور قابل توجهی افزایش می یابد. عمدتا منافذ بسته هستند.

اثر اتر سلولز غیریونی بر فرآیند تشکیل ساختار منافذ دوغاب سیمان مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. مشخص شد که افزودن اتر سلولز عمدتاً خواص فاز مایع را تغییر می دهد. از یک طرف، کشش سطحی فاز مایع کاهش می‌یابد و تشکیل حباب‌ها در ملات سیمان را آسان می‌کند و زهکشی فاز مایع و انتشار حباب را کند می‌کند، به طوری که حباب‌های کوچک به سختی به حباب‌های بزرگ جمع می‌شوند و تخلیه می‌شوند، بنابراین تخلیه بسیار افزایش یافته است؛ از سوی دیگر، ویسکوزیته فاز مایع افزایش می‌یابد که این امر نیز مانع از زهکشی، انتشار حباب و ادغام حباب می‌شود و توانایی تثبیت حباب‌ها را افزایش می‌دهد. بنابراین، حالت تأثیر اتر سلولز بر توزیع اندازه منافذ ملات سیمان را می توان به دست آورد: در محدوده اندازه منافذ بیش از 100 نانومتر، حباب ها را می توان با کاهش کشش سطحی فاز مایع وارد کرد و انتشار حباب را می توان با مهار کرد. افزایش ویسکوزیته مایع؛ در منطقه 30 نانومتر تا 60 نانومتر، تعداد منافذ در منطقه را می توان با مهار ادغام حباب های کوچکتر تحت تأثیر قرار داد.

5. تأثیر اتر سلولز غیریونی بر خواص مکانیکی سیمان پلیمری

خواص مکانیکی سیمان پلیمری ارتباط نزدیکی با مورفولوژی آن دارد. با افزودن اتر سلولز غیر یونی، تخلخل افزایش می یابد که مسلماً تأثیر نامطلوبی بر استحکام آن، به ویژه مقاومت فشاری و مقاومت خمشی خواهد داشت. کاهش مقاومت فشاری ملات سیمان به طور قابل توجهی بیشتر از مقاومت خمشی است. Ou Zhihua و همکاران. تأثیر انواع مختلف اتر سلولز غیر یونی بر خواص مکانیکی ملات سیمان را بررسی کرد و دریافت که مقاومت ملات سیمان اصلاح شده با اتر سلولز کمتر از ملات سیمان خالص است و کمترین مقاومت فشاری 28d تنها 44.3 درصد بود. از دوغاب سیمان خالص. مقاومت فشاری و مقاومت خمشی HPMc، HEMC و MC اتر سلولز اصلاح شده مشابه است، در حالی که مقاومت فشاری و مقاومت خمشی دوغاب سیمان اصلاح شده HEc در هر سن به طور قابل توجهی بالاتر است. این ارتباط نزدیکی با ویسکوزیته یا وزن مولکولی آنها دارد، هر چه ویسکوزیته یا وزن مولکولی اتر سلولز بیشتر باشد یا فعالیت سطحی بیشتر باشد، استحکام ملات سیمانی اصلاح شده آن کمتر است.

با این حال، همچنین نشان داده شده است که اتر سلولز غیریونی می تواند استحکام کششی، انعطاف پذیری و انسجام ملات سیمان را افزایش دهد. هوانگ لیانگن و همکاران دریافتند که برخلاف قانون تغییر مقاومت فشاری، مقاومت برشی و مقاومت کششی دوغاب با افزایش محتوای اتر سلولز در ملات سیمان افزایش می‌یابد. تجزیه و تحلیل دلیل، پس از افزودن اتر سلولز و امولسیون پلیمری با هم برای تشکیل تعداد زیادی فیلم پلیمری متراکم، انعطاف پذیری دوغاب و محصولات هیدراتاسیون سیمان، سیمان هیدراته نشده، پرکننده ها و سایر مواد پر شده در این فیلم را تا حد زیادی بهبود می بخشد. ، برای اطمینان از استحکام کششی سیستم پوشش.

به منظور بهبود عملکرد سیمان پلیمری اصلاح شده با اتر سلولز غیر یونی، بهبود خواص فیزیکی ملات سیمان در همان زمان، به طور قابل توجهی خواص مکانیکی آن را کاهش نمی دهد، روش معمول این است که اتر سلولز و سایر مواد افزودنی را مطابقت دهد. ملات سیمان لی تائو ون و همکاران دریافت که افزودنی کامپوزیت متشکل از اتر سلولز و پودر چسب پلیمری نه تنها اندکی مقاومت خمشی و مقاومت فشاری ملات را بهبود می بخشد، به طوری که چسبندگی و ویسکوزیته ملات سیمان برای ساخت پوشش مناسب تر است، بلکه به طور قابل توجهی حفظ آب را بهبود می بخشد. ظرفیت ملات در مقایسه با اتر تک سلولزی خو چی و همکاران پودر سرباره، عامل کاهنده آب و HEMc را اضافه کرد و دریافت که عامل کاهنده آب و پودر معدنی می تواند چگالی ملات را افزایش دهد، تعداد سوراخ ها را کاهش دهد تا استحکام و مدول الاستیک ملات را بهبود بخشد. HEMc می تواند استحکام باند کششی ملات را افزایش دهد، اما برای مقاومت فشاری و مدول الاستیک ملات خوب نیست. یانگ شیائوجی و همکاران دریافتند که ترک خوردگی انقباض پلاستیک ملات سیمان را می توان به طور قابل توجهی پس از مخلوط کردن فیبر HEMc و PP کاهش داد.

6. نتیجه گیری

اتر سلولز غیر یونی نقش مهمی در سیمان پلیمری ایفا می کند که می تواند به طور قابل توجهی خواص فیزیکی (از جمله تاخیر در انعقاد، حفظ آب، ضخیم شدن)، مورفولوژی میکروسکوپی و خواص مکانیکی ملات سیمان را بهبود بخشد. کارهای زیادی روی اصلاح مواد پایه سیمان توسط اتر سلولزی انجام شده است، اما هنوز مشکلاتی وجود دارد که نیاز به مطالعه بیشتر دارد. به عنوان مثال، در کاربردهای مهندسی عملی، توجه کمی به رئولوژی، خواص تغییر شکل، پایداری حجم و دوام مواد اصلاح‌شده مبتنی بر سیمان می‌شود و یک رابطه متناظر منظم با اتر سلولز اضافه شده برقرار نشده است. تحقیقات در مورد مکانیسم مهاجرت پلیمر اتر سلولز و محصولات هیدراتاسیون سیمان در واکنش هیدراسیون هنوز کافی نیست. فرآیند عمل و مکانیسم افزودنی های ترکیبی متشکل از اتر سلولز و سایر مواد افزودنی به اندازه کافی واضح نیست. افزودن کامپوزیت اتر سلولز و مواد غیر آلی تقویت شده مانند الیاف شیشه کامل نشده است. همه اینها تمرکز تحقیقات آینده برای ارائه راهنمایی های نظری برای بهبود بیشتر عملکرد سیمان پلیمری خواهد بود.