Éther de cellulose dans les produits à base de ciment

L'éther de cellulose est une sorte d'additif polyvalent qui peut être utilisé dans les produits en ciment. Cet article présente les propriétés chimiques de la méthylcellulose (MC) et de l'hydroxypropylméthylcellulose (HPMC/) couramment utilisées dans les produits cimentaires, la méthode et le principe de la solution nette et les principales caractéristiques de la solution. La diminution de la température et de la viscosité du gel thermique dans les produits en ciment a été discutée sur la base de l'expérience pratique de production.

Mots clés :éther de cellulose; Méthylcellulose;Hydroxypropylméthylcellulose; Température du gel chaud ; viscosité

1. Aperçu

L'éther de cellulose (CE en abrégé) est fabriqué à partir de cellulose par réaction d'éthérification d'un ou plusieurs agents éthérifiants et broyage à sec. Le CE peut être divisé en types ioniques et non ioniques, parmi lesquels le type CE non ionique en raison de ses caractéristiques uniques de gel thermique et de sa solubilité, de sa résistance au sel, de sa résistance à la chaleur et de son activité de surface appropriée. Il peut être utilisé comme agent de rétention d'eau, agent de suspension, émulsifiant, agent filmogène, lubrifiant, adhésif et améliorant rhéologique. Les principaux domaines de consommation étrangère sont les revêtements en latex, les matériaux de construction, le forage pétrolier, etc. Par rapport aux pays étrangers, la production et l’application de CE soluble dans l’eau en sont encore à leurs balbutiements. Avec l'amélioration de la santé des gens et de la sensibilisation à l'environnement. Le CE hydrosoluble, inoffensif pour la physiologie et ne polluant pas l’environnement, connaîtra un grand développement.

Dans le domaine des matériaux de construction, le CE généralement sélectionné est la méthylcellulose (MC) et l'hydroxypropylméthylcellulose (HPMC), qui peuvent être utilisées comme plastifiant de produits de peinture, de plâtre, de mortier et de ciment, viscosifiant, agent de rétention d'eau, agent entraîneur d'air et agent retardateur. La plupart de l'industrie des matériaux de construction est utilisée à température normale, les conditions d'utilisation étant un mélange sec de poudre et d'eau, impliquant moins les caractéristiques de dissolution et les caractéristiques de gel chaud du CE, mais dans la production mécanisée de produits en ciment et d'autres conditions de température spéciales, ces caractéristiques de CE jouera un rôle plus complet.

2. Propriétés chimiques du CE

Le CE est obtenu en traitant la cellulose par une série de méthodes chimiques et physiques. Selon les différentes structures de substitution chimique, elles peuvent généralement être divisées en : MC, HPMC, hydroxyéthylcellulose (HEC), etc. : Chaque CE a la structure de base de la cellulose - glucose déshydraté. Lors du processus de production du CE, les fibres de cellulose sont d'abord chauffées dans une solution alcaline puis traitées avec des agents éthérifiants. Les produits fibreux de la réaction sont purifiés et pulvérisés pour former une poudre uniforme d'une certaine finesse.

Le processus de production de MC utilise uniquement du chlorure de méthane comme agent éthérifiant. En plus de l'utilisation de chlorure de méthane, la production de HPMC utilise également de l'oxyde de propylène pour obtenir des groupes substituants hydroxypropyle. Différents CE ont des taux de substitution méthyle et hydroxypropyle différents, ce qui affecte la compatibilité organique et la température de gel thermique de la solution CE.

Le nombre de groupes de substitution sur les unités structurelles de glucose déshydraté de la cellulose peut être exprimé par le pourcentage de masse ou le nombre moyen de groupes de substitution (c'est-à-dire DS — degré de substitution). Le nombre de groupes substituants détermine les propriétés des produits CE. L'effet du degré moyen de substitution sur la solubilité des produits d'éthérification est le suivant :

(1) faible degré de substitution soluble dans la lessive ;

(2) degré de substitution légèrement élevé, soluble dans l'eau ;

(3) degré élevé de substitution dissous dans des solvants organiques polaires ;

(4) Degré de substitution plus élevé dissous dans des solvants organiques non polaires.

3. Méthode de dissolution du CE

Le CE a une propriété de solubilité unique : lorsque la température atteint une certaine température, il est insoluble dans l'eau, mais en dessous de cette température, sa solubilité augmentera avec la diminution de la température. Le CE est soluble dans l’eau froide (et dans certains cas dans des solvants organiques spécifiques) grâce au processus de gonflement et d’hydratation. Les solutions CE ne présentent pas les limitations évidentes de solubilité qui apparaissent lors de la dissolution des sels ioniques. La concentration de CE est généralement limitée à la viscosité pouvant être contrôlée par l'équipement de production et varie également en fonction de la viscosité et de la variété chimique requise par l'utilisateur. La concentration de la solution de CE à faible viscosité est généralement de 10 % à 15 %, et celle de CE à haute viscosité est généralement limitée à 2 % à 3 %. Différents types de CE (tels que la poudre, la poudre traitée en surface ou les granulés) peuvent affecter la façon dont la solution est préparée.

3.1 CE sans traitement de surface

Bien que le CE soit soluble dans l'eau froide, il doit être complètement dispersé dans l'eau pour éviter l'agglutination. Dans certains cas, un mélangeur ou un entonnoir à grande vitesse peut être utilisé dans l'eau froide pour disperser la poudre CE. Cependant, si la poudre non traitée est ajoutée directement à l’eau froide sans suffisamment remuer, des grumeaux importants se formeront. La principale raison de l'agglomération est que les particules de poudre CE ne sont pas complètement humides. Lorsque seulement une partie de la poudre est dissoute, un film de gel se forme, ce qui empêche la poudre restante de continuer à se dissoudre. Par conséquent, avant la dissolution, les particules de CE doivent être entièrement dispersées autant que possible. Les deux méthodes de dispersion suivantes sont couramment utilisées.

3.1.1 Méthode de dispersion en mélange sec

Cette méthode est la plus couramment utilisée dans les produits en ciment. Avant d'ajouter de l'eau, mélangez uniformément l'autre poudre avec la poudre CE, afin que les particules de poudre CE soient dispersées. Rapport de mélange minimum : Autre poudre : Poudre CE =(3 ~ 7) : 1.

Dans cette méthode, la dispersion du CE est réalisée à l'état sec, en utilisant une autre poudre comme milieu pour disperser les particules de CE les unes avec les autres, de manière à éviter la liaison mutuelle des particules de CE lors de l'ajout d'eau et affectant une dissolution ultérieure. Par conséquent, l’eau chaude n’est pas nécessaire pour la dispersion, mais la vitesse de dissolution dépend des particules de poudre et des conditions d’agitation.

3.1.2 Méthode de dispersion de l'eau chaude

(1) Le premier 1/5 ~ 1/3 de l'eau requise chauffée à 90 °C ci-dessus, ajoutez du CE, puis remuez jusqu'à ce que toutes les particules se dispersent humides, puis ajoutez l'eau restante dans de l'eau froide ou glacée pour réduire la température de l'eau. solution, une fois atteinte la température de dissolution CE, la poudre commence à s'hydrater, la viscosité augmente.

(2) Vous pouvez également chauffer toute l'eau, puis ajouter du CE pour remuer pendant le refroidissement jusqu'à ce que l'hydratation soit complète. Un refroidissement suffisant est très important pour une hydratation complète du CE et la formation de viscosité. Pour une viscosité idéale, la solution MC doit être refroidie à 0 ~ 5 ℃, tandis que HPMC ne doit être refroidie qu'à 20 ~ 25 ℃ ou moins. Étant donné qu'une hydratation complète nécessite un refroidissement suffisant, les solutions HPMC sont couramment utilisées là où l'eau froide ne peut pas être utilisée : selon les informations, l'HPMC présente une réduction de température inférieure à celle du MC à des températures plus basses pour obtenir la même viscosité. Il convient de noter que la méthode de dispersion dans l’eau chaude permet uniquement aux particules CE de se disperser uniformément à une température plus élevée, mais aucune solution ne se forme pour le moment. Pour obtenir une solution avec une certaine viscosité, il faut la refroidir à nouveau.

3.2 Poudre CE dispersible traitée en surface

Dans de nombreux cas, le CE doit avoir des caractéristiques à la fois dispersibles et d’hydratation rapide (viscosité de formation) dans l’eau froide. Le CE traité en surface est temporairement insoluble dans l'eau froide après un traitement chimique spécial, ce qui garantit que lorsque le CE est ajouté à l'eau, il ne formera pas immédiatement une viscosité évidente et pourra être dispersé dans des conditions de force de cisaillement relativement faibles. Le « temps de retard » de l'hydratation ou de la formation de viscosité est le résultat de la combinaison du degré de traitement de surface, de la température, du pH du système et de la concentration de la solution CE. Le retard d’hydratation est généralement réduit à des concentrations, des températures et des niveaux de pH plus élevés. En général, cependant, la concentration de CE n’est prise en compte que lorsqu’elle atteint 5 % (le rapport massique de l’eau).

Pour de meilleurs résultats et une hydratation complète, la surface traitée CE doit être agitée pendant quelques minutes dans des conditions neutres, avec une plage de pH de 8,5 à 9,0, jusqu'à ce que la viscosité maximale soit atteinte (généralement 10 à 30 minutes). Une fois que le pH devient basique (pH 8,5 à 9,0), le CE traité en surface se dissout complètement et rapidement, et la solution peut être stable à un pH de 3 à 11. Cependant, il est important de noter que l'ajustement du pH d'une suspension à haute concentration la viscosité sera trop élevée pour le pompage et le versement. Le pH doit être ajusté une fois la bouillie diluée à la concentration souhaitée.

Pour résumer, le processus de dissolution du CE comprend deux processus : la dispersion physique et la dissolution chimique. La clé est de disperser les particules de CE les unes avec les autres avant la dissolution, afin d'éviter l'agglomération due à une viscosité élevée lors de la dissolution à basse température, ce qui affecterait la dissolution ultérieure.

4. Propriétés de la solution CE

Différents types de solutions aqueuses CE se gélifieront à leurs températures spécifiques. Le gel est complètement réversible et forme une solution une fois refroidi à nouveau. La gélification thermique réversible du CE est unique. Dans de nombreux produits en ciment, l'utilisation principale de la viscosité du CE et des propriétés de rétention d'eau et de lubrification correspondantes, ainsi que la viscosité et la température du gel, a une relation directe, sous la température du gel, plus la température est basse, plus la viscosité du CE est élevée, meilleure est la performance de rétention d’eau correspondante.

L'explication actuelle du phénomène de gel est la suivante : dans le processus de dissolution, c'est similaire

Les molécules de polymère du fil se connectent à la couche moléculaire de l'eau, entraînant un gonflement. Les molécules d'eau agissent comme une huile lubrifiante, qui peut séparer de longues chaînes de molécules de polymère, de sorte que la solution possède les propriétés d'un fluide visqueux facile à vider. Lorsque la température de la solution augmente, le polymère cellulosique perd progressivement de l'eau et la viscosité de la solution diminue. Lorsque le point de gel est atteint, le polymère se déshydrate complètement, ce qui entraîne la liaison entre les polymères et la formation du gel : la résistance du gel continue d'augmenter à mesure que la température reste supérieure au point de gel.

Au fur et à mesure que la solution refroidit, le gel commence à s'inverser et la viscosité diminue. Finalement, la viscosité de la solution de refroidissement revient à la courbe initiale de montée en température et augmente avec la diminution de la température. La solution peut être refroidie jusqu'à sa valeur de viscosité initiale. Par conséquent, le processus de gel thermique du CE est réversible.

Le rôle principal du CE dans les produits en ciment est celui d'un viscosifiant, d'un plastifiant et d'un agent de rétention d'eau. Ainsi, le contrôle de la viscosité et de la température du gel est devenu un facteur important dans les produits en ciment qui utilisent généralement leur point de température de gel initial en dessous d'une section de la courbe. Ainsi, plus la température est basse, plus la viscosité est élevée, plus l'effet de rétention d'eau du viscosifiant est évident. Les résultats des tests de la ligne de production de panneaux de ciment par extrusion montrent également que plus la température du matériau est basse sous la même teneur en CE, meilleurs sont l'effet de viscosification et de rétention d'eau. Le système de ciment étant un système de propriétés physiques et chimiques extrêmement complexe, de nombreux facteurs affectent le changement de température et de viscosité du gel CE. Et l'influence des différentes tendances et degrés de Taianin n'est pas la même, donc l'application pratique a également révélé qu'après avoir mélangé le système de ciment, le point de température réel du gel du CE (c'est-à-dire que la baisse de l'effet de rétention de colle et d'eau est très évidente à cette température ) sont inférieures à la température du gel indiquée par le produit, par conséquent, lors de la sélection des produits CE, il convient de prendre en compte les facteurs provoquant la baisse de la température du gel. Voici les principaux facteurs qui, selon nous, affectent la viscosité et la température du gel de la solution CE dans les produits en ciment.

4.1 Influence de la valeur pH sur la viscosité

MC et HPMC sont non ioniques, donc la viscosité de la solution que la viscosité de la colle ionique naturelle a une plage de stabilité DH plus large, mais si la valeur du pH dépasse la plage de 3 ~ 11, ils réduiront progressivement la viscosité à un température plus élevée ou stockage pendant une longue période, solution particulièrement à haute viscosité. La viscosité de la solution de produit CE diminue dans une solution d'acide fort ou de base forte, ce qui est principalement dû à la déshydratation du CE provoquée par la base et l'acide. Par conséquent, la viscosité du CE diminue généralement dans une certaine mesure dans l’environnement alcalin des produits en ciment.

4.2 Influence de la vitesse de chauffage et de l'agitation sur le processus de gel

La température du point de gel sera affectée par l’effet combiné de la vitesse de chauffage et du taux de cisaillement d’agitation. Une agitation à grande vitesse et un chauffage rapide augmenteront généralement la température du gel de manière significative, ce qui est favorable aux produits en ciment formés par mélange mécanique.

4.3 Influence de la concentration sur le gel chaud

L'augmentation de la concentration de la solution abaisse généralement la température du gel et les points de gel du CE à faible viscosité sont plus élevés que ceux du CE à haute viscosité. Comme le METHOCEL A de DOW

La température du gel sera réduite de 10 ℃ pour chaque augmentation de 2 % de la concentration du produit. Une augmentation de 2 % de la concentration des produits de type F réduira la température du gel de 4 ℃.

4.4 Influence des additifs sur la gélification thermique

Dans le domaine des matériaux de construction, de nombreux matériaux sont des sels inorganiques, ce qui aura un impact significatif sur la température du gel de la solution CE. Selon que l'additif agit comme agent coagulant ou solubilisant, certains additifs peuvent augmenter la température du gel thermique du CE, tandis que d'autres peuvent diminuer la température du gel thermique du CE : par exemple, l'éthanol améliorant le solvant, le PEG-400 (polyéthylène glycol) , l'anediol, etc., peuvent augmenter le point de gel. Les sels, la glycérine, le sorbitol et d'autres substances réduiront le point de gel, le CE non ionique ne sera généralement pas précipité en raison des ions métalliques polyvalents, mais lorsque la concentration d'électrolyte ou d'autres substances dissoutes dépasse une certaine limite, les produits CE peuvent être relargués dans solution, cela est dû à la compétition des électrolytes avec l'eau, entraînant une réduction de l'hydratation du CE. La teneur en sel de la solution du produit CE est généralement légèrement supérieure à celle du produit Mc, et la teneur en sel est légèrement différente dans différents HPMC.

De nombreux ingrédients présents dans les produits en ciment feront baisser le point de gel du CE. La sélection des additifs doit donc tenir compte du fait que cela peut entraîner des modifications du point de gel et de la viscosité du CE.

5.Conclusion

(1) l'éther de cellulose est une cellulose naturelle obtenue par réaction d'éthérification, possède l'unité structurelle de base du glucose déshydraté, selon le type et le nombre de groupes substituants sur sa position de remplacement et possède des propriétés différentes. L'éther non ionique tel que MC et HPMC peut être utilisé comme viscosifiant, agent de rétention d'eau, agent d'entraînement d'air et autres produits largement utilisés dans les matériaux de construction.

(2) Le CE a une solubilité unique, formant une solution à une certaine température (telle que la température du gel) et formant un gel solide ou un mélange de particules solides à la température du gel. Les principales méthodes de dissolution sont la méthode de dispersion par mélange à sec, la méthode de dispersion par eau chaude, etc., dans les produits à base de ciment, la méthode de dispersion par mélange à sec couramment utilisée. La clé est de disperser le CE uniformément avant qu’il ne se dissolve, formant ainsi une solution à basse température.

(3) La concentration de la solution, la température, la valeur du pH, les propriétés chimiques des additifs et la vitesse d'agitation affecteront la température du gel et la viscosité de la solution CE, en particulier les produits en ciment sont des solutions salines inorganiques dans un environnement alcalin, réduisent généralement la température du gel et la viscosité de la solution CE. , entraînant des effets néfastes. Par conséquent, selon les caractéristiques du CE, d’une part, il doit être utilisé à basse température (en dessous de la température du gel), et d’autre part, l’influence des additifs doit être prise en compte.