Razvoj novih HEMC celuloznih etera za smanjenje aglomeracije u žbukama na bazi gipsa strojno prskanim

Razvoj novih HEMC celuloznih etera za smanjenje aglomeracije u žbukama na bazi gipsa strojno prskanim

Strojno prskana žbuka (GSP) na bazi gipsa uvelike se koristi u zapadnoj Europi od 1970-ih. Pojava mehaničkog raspršivanja učinkovito je poboljšala učinkovitost konstrukcije žbukanja uz istovremeno smanjenje troškova izgradnje. S produbljivanjem komercijalizacije GSP-a, celulozni eter topiv u vodi postao je ključni aditiv. Celulozni eter daje GSP-u dobru sposobnost zadržavanja vode, što ograničava upijanje vlage od strane podloge u žbuci, čime se postiže stabilno vrijeme stvrdnjavanja i dobra mehanička svojstva. Osim toga, specifična reološka krivulja celuloznog etera može poboljšati učinak strojnog prskanja i značajno pojednostaviti naknadne postupke izravnavanja žbuke i završne obrade.

Unatoč očitim prednostima celuloznih etera u GSP primjenama, oni također mogu potencijalno doprinijeti stvaranju suhih grudica prilikom raspršivanja. Ove nenamočene grudice također su poznate kao grudanje ili zgrudnjavanje, a mogu nepovoljno utjecati na izravnavanje i završnu obradu morta. Aglomeracija može smanjiti učinkovitost gradilišta i povećati troškove primjene proizvoda od gipsa visokih performansi. Kako bismo bolje razumjeli učinak celuloznih etera na stvaranje grudica u GSP-u, proveli smo studiju kako bismo pokušali identificirati relevantne parametre proizvoda koji utječu na njihovo stvaranje. Na temelju rezultata ove studije razvili smo seriju celuloznih eter proizvoda sa smanjenom tendencijom aglomeracije i ocijenili ih u praktičnoj primjeni.

Ključne riječi: celulozni eter; gips strojna špricana žbuka; brzina otapanja; morfologija čestica

1. Uvod

Vodotopivi celulozni eteri uspješno se koriste u žbukama za strojno prskanje (GSP) na bazi gipsa za regulaciju potrebe za vodom, poboljšanje zadržavanja vode i poboljšanje reoloških svojstava mortova. Stoga pomaže poboljšati učinkovitost mokrog morta, čime se osigurava potrebna čvrstoća morta. Zbog svojih komercijalno održivih i ekološki prihvatljivih svojstava, suha mješavina GSP postala je naširoko korišteni građevinski materijal za unutarnje prostore u cijeloj Europi tijekom posljednjih 20 godina.

Strojevi za miješanje i prskanje suhe mješavine GSP uspješno su komercijalizirani desetljećima. Iako se neke tehničke značajke opreme različitih proizvođača razlikuju, svi komercijalno dostupni strojevi za prskanje dopuštaju vrlo ograničeno vrijeme miješanja vode sa suhom mješavinom gipsane žbuke koja sadrži celulozni eter. Općenito, cijeli proces miješanja traje samo nekoliko sekundi. Nakon miješanja, mokri mort se pumpa kroz dovodno crijevo i raspršuje na zid podloge. Cijeli proces je završen u roku od jedne minute. Međutim, u tako kratkom vremenskom razdoblju potrebno je da se celulozni eteri potpuno otope kako bi u potpunosti razvili svoja svojstva u primjeni. Dodavanje proizvoda fino mljevenog celuloznog etera formulacijama gipsane žbuke osigurava potpuno otapanje tijekom ovog procesa prskanja.

Fino mljeveni celulozni eter brzo stvara konzistenciju u kontaktu s vodom tijekom miješanja u prskalici. Brzo povećanje viskoznosti uzrokovano otapanjem celuloznog etera uzrokuje probleme s istodobnim vlaženjem vodom čestica gipsanog cementnog materijala. Kako se voda počinje zgušnjavati, postaje manje tekuća i ne može prodrijeti u male pore između čestica gipsa. Nakon što je pristup porama blokiran, proces vlaženja čestica cementnog materijala vodom je odgođen. Vrijeme miješanja u prskalici bilo je kraće od vremena potrebnog za potpuno navlaživanje čestica gipsa, što je rezultiralo stvaranjem grudica suhog praha u svježem mokrom mortu. Kada se te grudice jednom formiraju, one ometaju učinkovitost radnika u kasnijim procesima: izravnavanje žbuke s grudicama je vrlo problematično i zahtijeva više vremena. Čak i nakon što se mort stvrdne, mogu se pojaviti početno formirane grudice. Na primjer, prekrivanje grudica iznutra tijekom izgradnje dovest će do pojave tamnih područja u kasnijoj fazi, koja ne želimo vidjeti.

Iako se celulozni eteri koriste kao aditivi u GSP-u dugi niz godina, njihov učinak na stvaranje nenamočenih grudica do sada nije mnogo proučavan. Ovaj članak predstavlja sustavni pristup koji se može koristiti za razumijevanje temeljnog uzroka aglomeracije iz perspektive celuloznog etera.

2. Razlozi nastanka nenamočenih nakupina u GSP

2.1 Vlaženje žbuke na bazi žbuke

U ranim fazama uspostavljanja istraživačkog programa, sastavljen je niz mogućih temeljnih uzroka za stvaranje nakupina u CSP-u. Dalje, kroz računalno potpomognutu analizu, problem se fokusira na to postoji li praktično tehničko rješenje. Ovim radovima preliminarno je traženo optimalno rješenje formiranja aglomerata u GSP-u. I iz tehničkih i iz komercijalnih razloga, tehnički način promjene vlaženja čestica gipsa površinskom obradom je isključen. S komercijalnog gledišta, ideja o zamjeni postojeće opreme opremom za prskanje s posebno dizajniranom komorom za miješanje koja može osigurati dovoljno miješanje vode i morta je isključena.

Druga mogućnost je korištenje sredstava za vlaženje kao dodataka u formulacijama gipsane žbuke i za to smo već pronašli patent. Međutim, dodatak ovog aditiva neizbježno negativno utječe na obradivost žbuke. Što je još važnije, mijenja fizikalna svojstva morta, posebice tvrdoću i čvrstoću. Tako da nismo previše ulazili u to. Osim toga, smatra se da dodavanje sredstava za vlaženje također može imati negativan utjecaj na okoliš.

S obzirom da je celulozni eter već dio formulacije žbuke na bazi gipsa, optimizacija samog celuloznog etera postaje najbolje rješenje koje se može odabrati. Istodobno, ne smije utjecati na svojstva zadržavanja vode niti negativno utjecati na reološka svojstva žbuke u uporabi. Na temelju prethodno predložene hipoteze da je stvaranje nemočenog praha u GSP-u posljedica pretjerano brzog povećanja viskoznosti celuloznih etera nakon kontakta s vodom tijekom miješanja, kontrola karakteristika otapanja celuloznih etera postala je glavni cilj naše studije .

2.2 Vrijeme otapanja celuloznog etera

Jednostavan način za usporavanje stope otapanja celuloznih etera je korištenje granuliranih proizvoda. Glavni nedostatak korištenja ovog pristupa u GSP-u je taj što se čestice koje su previše grube ne otope u potpunosti unutar kratkog prozora miješanja od 10 sekundi u prskalici, što dovodi do gubitka zadržavanja vode. Osim toga, bubrenje neotopljenog celuloznog etera u kasnijoj fazi dovest će do zadebljanja nakon žbukanja i utjecati na izvedbu konstrukcije, što je ono što ne želimo vidjeti.

Druga mogućnost smanjenja brzine otapanja celuloznih etera je reverzibilno umrežavanje površine celuloznih etera s glioksalom. Međutim, budući da je reakcija umrežavanja kontrolirana pH, brzina otapanja celuloznih etera jako ovisi o pH okolne vodene otopine. pH vrijednost GSP sustava pomiješanog s gašenim vapnom je vrlo visoka, a umrežene veze glioksala na površini brzo se otvaraju nakon kontakta s vodom, a viskoznost počinje trenutno rasti. Stoga, takvi kemijski tretmani ne mogu igrati ulogu u kontroli brzine otapanja u GSP-u.

Vrijeme otapanja celuloznih etera također ovisi o njihovoj morfologiji čestica. No, ovoj se činjenici do sada nije previše pridavalo pažnje, iako je učinak vrlo značajan. Imaju konstantnu linearnu brzinu otapanja [kg/(m2•s)], tako da su njihovo otapanje i povećanje viskoznosti proporcionalni raspoloživoj površini. Ova stopa može značajno varirati s promjenama u morfologiji celuloznih čestica. U našim izračunima pretpostavlja se da se puna viskoznost (100%) postiže nakon 5 sekundi miješanja.

Izračuni različitih morfologija čestica pokazali su da su sferne čestice imale viskoznost od 35% konačne viskoznosti u pola vremena miješanja. U istom vremenskom razdoblju, čestice celuloznog etera u obliku šipke mogu doseći samo 10%. Čestice u obliku diska tek su se nakon toga počele otapati2,5 sekunde.

Također su uključene karakteristike idealne topljivosti za celulozne etere u GSP-u. Odgodi početno stvaranje viskoznosti za više od 4,5 sekunde. Nakon toga, viskoznost se brzo povećala da bi dosegla konačnu viskoznost unutar 5 sekundi od vremena miješanja. U GSP-u, tako dugo odgođeno vrijeme otapanja omogućuje sustavu nisku viskoznost, a dodana voda može u potpunosti smočiti čestice gipsa i ući u pore između čestica bez ometanja.

3. Morfologija čestica celuloznog etera

3.1 Mjerenje morfologije čestica

Budući da oblik čestica celuloznog etera ima tako značajan utjecaj na topljivost, prvo je potrebno odrediti parametre koji opisuju oblik čestica celuloznog etera, a zatim utvrditi razlike između nekvašenja. Formiranje aglomerata je posebno relevantan parametar. .

Morfologiju čestica celuloznog etera dobili smo tehnikom dinamičke analize slike. Morfologija čestica celuloznih etera može se u potpunosti karakterizirati korištenjem digitalnog analizatora slike SYMPATEC (proizveden u Njemačkoj) i specifičnih softverskih alata za analizu. Utvrđeno je da su najvažniji parametri oblika čestica prosječna duljina vlakana izražena kao LEFI(50,3) i prosječni promjer izražen kao DIFI(50,3). Podaci o prosječnoj duljini vlakana smatraju se punom duljinom određene raširene čestice celuloznog etera.

Obično se podaci o raspodjeli veličine čestica kao što je prosječni promjer vlakana DIFI mogu izračunati na temelju broja čestica (označeno s 0), duljine (označeno s 1), površine (označeno s 2) ili volumena (označeno s 3). Sva mjerenja podataka o česticama u ovom radu temelje se na volumenu i stoga su označena sufiksom 3. Na primjer, u DIFI(50,3), 3 znači raspodjelu volumena, a 50 znači da je 50% krivulje raspodjele veličine čestica manje od naznačene vrijednosti, a ostalih 50% je veće od naznačene vrijednosti. Podaci o obliku čestica celuloznog etera dani su u mikrometrima (µm).

3.2 Celulozni eter nakon optimizacije morfologije čestica

Uzimajući u obzir učinak površine čestice, vrijeme otapanja čestica celuloznog etera štapićastog oblika jako ovisi o prosječnom promjeru vlakana DIFI (50,3). Na temelju ove pretpostavke, razvojni rad na celuloznim eterima bio je usmjeren na dobivanje proizvoda s većim prosječnim promjerom vlakana DIFI (50,3) kako bi se poboljšala topljivost praha.

Međutim, ne očekuje se da povećanje prosječne duljine vlakana DIFI(50,3) bude popraćeno povećanjem prosječne veličine čestica. Povećanje oba parametra zajedno rezultirat će česticama koje su prevelike da se potpuno otope unutar uobičajenog vremena miješanja od 10 sekundi mehaničkog prskanja.

Stoga bi idealna hidroksietilmetilceluloza (HEMC) trebala imati veći prosječni promjer vlakana DIFI(50,3) uz zadržavanje prosječne duljine vlakana LEFI(50,3). Koristimo novi proces proizvodnje celuloznog etera za proizvodnju poboljšanog HEMC-a. Oblik čestica celuloznog etera topljivog u vodi dobivenog ovim proizvodnim procesom potpuno je drugačiji od oblika čestica celuloze koja se koristi kao sirovina za proizvodnju. Drugim riječima, proizvodni proces dopušta da oblik čestica celuloznog etera bude neovisan o proizvodnim sirovinama.

Tri slike skenirajućeg elektronskog mikroskopa: jedna celuloznog etera proizvedenog standardnim postupkom i jedna celuloznog etera proizvedenog novim postupkom s većim promjerom DIFI(50,3) od proizvoda konvencionalnih procesnih alata. Također je prikazana morfologija fino mljevene celuloze korištene u proizvodnji ova dva proizvoda.

Uspoređujući elektronske mikroslike celuloze i celuloznog etera proizvedene standardnim postupkom, lako je otkriti da njih dvoje imaju slične morfološke karakteristike. Veliki broj čestica na obje slike pokazuje tipične duge, tanke strukture, što sugerira da se osnovne morfološke značajke nisu promijenile čak ni nakon što se kemijska reakcija dogodila. Jasno je da su karakteristike morfologije čestica proizvoda reakcije u visokoj korelaciji sa sirovinama.

Utvrđeno je da su morfološke karakteristike celuloznog etera proizvedenog novim postupkom značajno drugačije, ima veći prosječni promjer DIFI (50,3), te uglavnom predstavlja okrugle kratke i debele oblike čestica, dok su tipične tanke i duge čestice u celuloznim sirovinama Gotovo izumrla.

Ova slika ponovno pokazuje da morfologija čestica celuloznih etera proizvedenih novim postupkom više nije povezana s morfologijom celulozne sirovine – veza između morfologije sirovine i konačnog proizvoda više ne postoji.

4. Učinak morfologije HEMC čestica na stvaranje nenamočenih nakupina u GSP-u

GSP je testiran u uvjetima primjene na terenu kako bi se potvrdilo da je naša hipoteza o radnom mehanizmu (da bi uporaba proizvoda celuloznog etera s većim srednjim promjerom DIFI (50,3) smanjila neželjenu aglomeraciju) točna. HEMCs sa srednjim promjerima DIFI(50,3) u rasponu od 37 µm do 52 µm korišteni su u ovim eksperimentima. Kako bi se smanjio utjecaj čimbenika koji nisu morfologija čestica, baza od gipsane žbuke i svi ostali dodaci ostali su nepromijenjeni. Viskoznost celuloznog etera je održavana konstantnom tijekom testa (60,000 mPa.s, 2% vodena otopina, mjereno HAAKE reometrom).

Komercijalno dostupan raspršivač gipsa (PFT G4) korišten je za prskanje u ispitivanjima primjene. Usredotočite se na procjenu stvaranja nenamočenih grudica gipsane žbuke odmah nakon nanošenja na zid. Procjena nakupljanja u ovoj fazi tijekom procesa nanošenja žbuke najbolje će otkriti razlike u učinkovitosti proizvoda. U testu su iskusni radnici ocijenili situaciju grudanja, pri čemu je 1 bila najbolja, a 6 najgora.

Rezultati testa jasno pokazuju korelaciju između prosječnog promjera vlakana DIFI (50,3) i ocjene učinka grudanja. U skladu s našom hipotezom da su proizvodi celuloznog etera s većim DIFI(50,3) bolji od manjih DIFI(50,3) proizvoda, prosječna ocjena za DIFI(50,3) od 52 µm bila je 2 (dobro), dok su oni s DIFI( 50,3) od 37 µm i 40 µm ocijenjeno 5 (neuspjeh).

Kao što smo očekivali, ponašanje grudanja u GSP primjenama značajno ovisi o prosječnom promjeru DIFI(50,3) korištenog celuloznog etera. Štoviše, spomenuto je u prethodnoj raspravi da je među svim morfološkim parametrima DIFI(50,3) snažno utjecao na vrijeme otapanja praha celuloznog etera. Ovo potvrđuje da vrijeme otapanja celuloznog etera, koje je u visokoj korelaciji s morfologijom čestica, u konačnici utječe na stvaranje nakupina u GSP-u. Veći DIFI (50,3) uzrokuje dulje vrijeme otapanja praha, što značajno smanjuje mogućnost aglomeracije. Međutim, predugo vrijeme otapanja praha otežat će potpuno otapanje celuloznog etera unutar vremena miješanja opreme za prskanje.

Novi HEMC proizvod s optimiziranim profilom otapanja zbog većeg prosječnog promjera vlakana DIFI(50,3) ne samo da ima bolje vlaženje gipsanog praha (kao što se vidi u procjeni grudanja), već također ne utječe na performanse zadržavanja vode proizvod. Zadržavanje vode izmjereno prema EN 459-2 nije se razlikovalo od HEMC proizvoda iste viskoznosti s DIFI(50,3) od 37 µm do 52 µm. Sva mjerenja nakon 5 minuta i 60 minuta nalaze se unutar traženog raspona prikazanog na grafikonu.

Međutim, također je potvrđeno da ako DIFI(50,3) postane prevelik, čestice celuloznog etera više se neće potpuno otopiti. To je utvrđeno prilikom testiranja DIFI(50,3) od 59 µM proizvoda. Njegovi rezultati testa zadržavanja vode nakon 5 minuta, a posebno nakon 60 minuta nisu zadovoljili traženi minimum.

5. Sažetak

Celulozni eteri su važni aditivi u GSP formulacijama. Rad na istraživanju i razvoju proizvoda ovdje promatra korelaciju između morfologije čestica celuloznih etera i stvaranja nenamočenih grudica (tzv. grudanja) prilikom mehaničkog raspršivanja. Temelji se na pretpostavci mehanizma rada da vrijeme otapanja praha celuloznog etera utječe na vlaženje praha gipsa vodom i tako utječe na stvaranje grudica.

Vrijeme otapanja ovisi o morfologiji čestica celuloznog etera i može se dobiti pomoću alata za digitalnu analizu slike. U GSP-u, celulozni eteri s velikim prosječnim promjerom DIFI (50,3) imaju optimizirane karakteristike otapanja praha, dopuštajući više vremena vodi da temeljito navlaži čestice gipsa, čime se omogućuje optimalna antiaglomeracija. Ova vrsta celuloznog etera proizvodi se novim proizvodnim procesom, a njegov oblik čestica ne ovisi o izvornom obliku sirovine za proizvodnju.

Prosječni promjer vlakana DIFI (50,3) ima vrlo važan učinak na grudanje, što je potvrđeno dodavanjem ovog proizvoda u komercijalno dostupnu gipsanu podlogu za prskanje strojem za prskanje na licu mjesta. Nadalje, ovi testovi raspršivanja na terenu potvrdili su naše laboratorijske rezultate: najbolji proizvodi celuloznog etera s velikim DIFI (50,3) bili su potpuno topljivi unutar vremenskog okvira GSP miješanja. Stoga proizvod celuloznog etera s najboljim svojstvima protiv zgrudnjavanja nakon poboljšanja oblika čestica i dalje zadržava izvornu izvedbu zadržavanja vode.