A környezeti hőmérséklet hatása a cellulóz-éterrel módosított gipsz bedolgozhatóságára

A cellulóz-éterrel módosított gipsz teljesítménye különböző környezeti hőmérsékleteken nagyon eltérő, de mechanizmusa nem világos. Vizsgálták a cellulóz-éter hatását a gipszzagy reológiai paramétereire és vízvisszatartására különböző környezeti hőmérsékleteken. A folyadékfázisú cellulóz-éter hidrodinamikai átmérőjét dinamikus fényszórásos módszerrel mértem, és feltártam a hatásmechanizmust. Az eredmények azt mutatják, hogy a cellulóz-éter jó vízmegtartó és sűrítő hatással rendelkezik a gipszre. A cellulóz-éter tartalom növekedésével nő a zagy viszkozitása és nő a vízmegtartó képessége. A hőmérséklet emelkedésével azonban bizonyos mértékig csökken a módosított gipszzagy vízmegtartó képessége, és a reológiai paraméterek is változnak. Tekintettel arra, hogy a cellulóz-éter-kolloid asszociáció a vízszállítási csatorna blokkolásával vízvisszatartást tud elérni, a hőmérséklet-emelkedés a cellulóz-éter által termelt nagy térfogatú asszociáció széteséséhez vezethet, csökkentve ezzel a módosított gipsz vízvisszatartását és munkateljesítményét.

Kulcsszavak:gipsz; cellulóz-éter; Hőmérséklet; Vízvisszatartás; reológia

0. Bevezetés

A gipszet, mint egyfajta környezetbarát anyagot, jó szerkezeti és fizikai tulajdonságokkal, széles körben használják dekorációs projektekben. A gipsz alapú anyagok alkalmazásakor általában vízvisszatartó szert adnak hozzá az iszap módosítására, hogy megakadályozzák a vízveszteséget a hidratálás és a keményedés során. A cellulóz-éter jelenleg a leggyakoribb vízmegtartó szer. Mivel az ionos CE reakcióba lép a Ca2+-szal, gyakran használjon nemionos CE-t, például: hidroxipropil-metil-cellulóz-étert, hidroxi-etil-metil-cellulóz-étert és metil-cellulóz-étert. Fontos a cellulóz-éterrel módosított gipsz tulajdonságainak tanulmányozása a gipsz dekorációs mérnöki jobb felhasználása érdekében.

A cellulóz-éter egy nagy molekulatömegű vegyület, amelyet lúgos cellulóz és éterezőszer reakciójával állítanak elő bizonyos körülmények között. Az építőiparban használt nemionos cellulóz-éter jó diszperziós, vízvisszatartó, kötő- és sűrítő hatású. A cellulóz-éter hozzáadásának igen nyilvánvaló hatása van a gipsz vízvisszatartására, de a gipsszel edzett test hajlító- és nyomószilárdsága is kismértékben csökken a hozzáadott mennyiség növekedésével. Ennek az az oka, hogy a cellulóz-éternek van egy bizonyos levegőelvonó hatása, amely a zagykeverés során buborékokat vezet be, így csökkenti az edzett test mechanikai tulajdonságait. Ugyanakkor a túl sok cellulóz-éter túlságosan ragadóssá teszi a gipszkeveréket, ami az építési teljesítményt eredményezi.

A gipsz hidratációs folyamata négy lépésre osztható: a kalcium-szulfát-hemihidrát feloldódása, a kalcium-szulfát-dihidrát kristályosodása, a kristálymag növekedése és a kristályszerkezet kialakítása. A gipsz hidratációs folyamatában a gipszszemcsék felületén adszorbeálódó cellulóz-éter hidrofil funkciós csoportja megköti a vízmolekulák egy részét, így késlelteti a gipsz hidratációjának gócképződési folyamatát és meghosszabbítja a gipsz kötési idejét. Mroz SEM-megfigyeléssel megállapította, hogy bár a cellulóz-éter jelenléte késleltette a kristályok növekedését, de növelte a kristályok átfedését és aggregációját.

A cellulóz-éter hidrofil csoportokat tartalmaz, így bizonyos hidrofilitása van, a polimer hosszú láncú összeköttetésben áll egymással, így magas viszkozitású, a kettő kölcsönhatása miatt a cellulóz jó vízmegtartó sűrítő hatással rendelkezik a gipszkeveréken. Bulichen elmagyarázta a cellulóz-éter vízvisszatartási mechanizmusát a cementben. Alacsony keveredés mellett a cellulóz-éter adszorbeálódik a cementen az intramolekuláris vízfelvétel érdekében, amit duzzadás kísér a vízvisszatartás elérése érdekében. Ilyenkor a vízvisszatartás gyenge. A nagy dózisú cellulóz-éter több száz nanométertől néhány mikronig terjedő kolloid polimert képez, hatékonyan blokkolja a gélrendszert a lyukban, így hatékony vízvisszatartást ér el. A cellulóz-éter hatásmechanizmusa a gipszben ugyanaz, mint a cementben, de a magasabb SO42-koncentráció a gipszzagy folyadékfázisában gyengíti a cellulóz vízvisszatartó hatását.

A fenti tartalom alapján megállapítható, hogy a cellulóz-éterrel módosított gipszre vonatkozó jelenlegi kutatások leginkább a cellulóz-éter gipszkeveréken történő hidratálási folyamatára, a vízvisszatartási tulajdonságokra, az edzett test mechanikai tulajdonságaira és mikroszerkezetére, valamint a cellulóz-éter kialakulásának mechanizmusára fókuszálnak. vízvisszatartás. A cellulóz-éter és a gipszzagy magas hőmérsékleten történő kölcsönhatására vonatkozó tanulmány azonban még mindig nem elegendő. A cellulóz-éter vizes oldata meghatározott hőmérsékleten zselatinizálódik. A hőmérséklet emelkedésével a cellulóz-éter vizes oldatának viszkozitása fokozatosan csökken. A zselatinizációs hőmérséklet elérésekor a cellulóz-éter fehér géllé válik ki. Például a nyári építkezéseknél a környezeti hőmérséklet magas, a cellulóz-éter termikus gél tulajdonságai a módosított gipszszuszpenzió bedolgozhatóságának változásához vezetnek. Ez a munka szisztematikus kísérletekkel tárja fel a hőmérséklet-emelkedés hatását a cellulóz-éterrel módosított gipszanyag bedolgozhatóságára, és útmutatást ad a cellulóz-éterrel módosított gipsz gyakorlati alkalmazásához.

1. Kísérlet

1.1 Nyersanyagok

A gipsz a Beijing Ecological Home Group által biztosított β-típusú természetes építőgipsz.

A Shandong Yiteng Group hidroxi-propil-metil-cellulóz-éterből választott cellulóz-éter, termékleírások 75 000 mPa·s, 100 000 mPa·s és 200 000 mPa·s, gélesedési hőmérséklet 60 ℃ felett. A citromsavat választottuk ki gipsz késleltetőként.

1.2 Reológiai teszt

Az alkalmazott reológiai vizsgálati eszköz a BROOKFIELD USA által gyártott RST⁃CC reométer volt. A reológiai paramétereket, mint pl. a gipszzagy képlékeny viszkozitása és folyási nyírófeszültsége MBT⁃40F⁃0046 mintatartály és CC3⁃40 rotor segítségével határoztuk meg, és az adatokat RHE3000 szoftverrel dolgoztuk fel.

A gipszkeverék jellemzői megfelelnek a Bingham-folyadék reológiai viselkedésének, amelyet általában Bingham-modell segítségével vizsgálnak. A polimerrel módosított gipszhez adott cellulóz-éter pszeudoplasztikussága miatt azonban a zagykeverék általában bizonyos nyíróvékonysági tulajdonságokkal rendelkezik. Ebben az esetben a módosított Bingham (M⁃B) modell jobban leírja a gipsz reológiai görbéjét. A gipsz nyírási alakváltozásának tanulmányozása érdekében ez a munka a Herschel⁃Bulkley (H⁃B) modellt is alkalmazza.

1.3 Vízvisszatartási teszt

A vizsgálati eljárás lásd a GB/T28627⁃2012 vakolatvakolatot. A hőmérséklet változóval végzett kísérlet során a gipszet 1 órával előre a megfelelő hőmérsékletre előmelegítettük a kemencében, majd a kísérletben használt kevert vizet állandó hőmérsékletű vízfürdőben 1 órával a megfelelő hőmérsékleten előmelegítettük, és a műszert használtuk. előmelegített volt.

1.4 Hidrodinamikai átmérővizsgálat

A HPMC polimer asszociáció hidrodinamikus átmérőjét (D50) folyadékfázisban dinamikus fényszórásos részecskeméret-analizátorral (Malvern Zetasizer NanoZS90) mértük.

2. Eredmények és megbeszélés

2.1 A HPMC-módosított gipsz reológiai tulajdonságai

A látszólagos viszkozitás a nyírófeszültség és a folyadékra ható nyírási sebesség aránya, és a nem newtoni folyadékok áramlásának jellemzésére szolgáló paraméter. A módosított gipszzagy látszólagos viszkozitása a cellulóz-éter tartalommal változott három különböző specifikáció mellett (75000mPa·s, 100000mpa·s és 200000mPa·s). A teszt hőmérséklete 20 ℃ volt. Ha a reométer nyírási sebessége 14 perc-1, akkor megállapítható, hogy a gipszzagy viszkozitása a HPMC bedolgozásának növekedésével nő, és minél nagyobb a HPMC viszkozitása, annál nagyobb lesz a módosított gipszzagy viszkozitása. Ez azt jelzi, hogy a HPMC-nek nyilvánvaló sűrítő és viszkozizáló hatása van a gipszzagyon. A gipszszuszpenzió és a cellulóz-éter bizonyos viszkozitású anyagok. A módosított gipszkeverékben a cellulóz-éter adszorbeálódik a gipsz hidratációs termékek felületén, és a cellulóz-éter és a gipszkeverék által alkotott háló összefonódik, ami „szuperpozíciós hatást” eredményez, amely jelentősen javítja a gipsz hidratáló termékeinek általános viszkozitását. a módosított gipsz alapú anyag.

A 75000 mPa·s-HPMC-vel adalékolt tiszta gipsz (G⁃H) és módosított gipszpaszta (G⁃H) nyírási feszültséggörbéi a felülvizsgált Bingham (M⁃B) modellből következtetve. Megállapítható, hogy a nyírási sebesség növekedésével a keverék nyírófeszültsége is nő. A tiszta gipsz és a HPMC módosított gipsz képlékeny viszkozitása (ηp) és folyási nyírófeszültség (τ0) értékeit különböző hőmérsékleteken kapjuk meg.

A tiszta gipsz és a HPMC módosított gipsz különböző hőmérsékleteken képlékeny viszkozitása (ηp) és folyási nyírófeszültség (τ0) értékeiből látható, hogy a HPMC módosított gipsz folyási feszültsége a hőmérséklet emelkedésével folyamatosan csökken, a hozam a feszültség 33%-kal csökken 60 ℃-on 20 ℃-hoz képest. A képlékeny viszkozitási görbe megfigyelésével megállapítható, hogy a módosított gipszzagy képlékeny viszkozitása is csökken a hőmérséklet emelkedésével. A tiszta gipszzagy folyáshatára és képlékeny viszkozitása azonban kismértékben növekszik a hőmérséklet emelkedésével, ami arra utal, hogy a HPMC-módosított gipszzagy reológiai paramétereinek változását a hőmérséklet-emelkedés folyamatában a HPMC tulajdonságok változása okozza.

A gipszzagy folyási feszültség értéke azt a maximális nyírófeszültség értéket tükrözi, amikor a zagy ellenáll a nyírási deformációnak. Minél nagyobb a folyáshatárérték, annál stabilabb lehet a gipszzagy. A képlékeny viszkozitás a gipszzagy alakváltozási sebességét tükrözi. Minél nagyobb a műanyag viszkozitása, annál hosszabb lesz az iszap nyírási deformációs ideje. Összefoglalva, a HPMC-módosított gipszzagy két reológiai paramétere a hőmérséklet emelkedésével nyilvánvalóan csökken, és gyengül a HPMC gipszzagyra gyakorolt ​​sűrítő hatása.

A zagy nyírási deformációja a nyírási sűrűsödő vagy nyírási hígító hatásra utal, amelyet a zagy nyíróerőnek kitéve tükröz. A hígtrágya nyírási deformációs hatása az illesztési görbéből kapott n pszeudoplasztikus index alapján ítélhető meg. Ha n < 1, a gipszzagy nyírási elvékonyodást mutat, és a gipszzagy nyírási hígítási foka n csökkenésével nagyobb lesz. Amikor n > 1, a gipszzagy nyírási vastagodást mutatott, és a gipszzagy nyírási sűrítési foka n növekedésével nőtt. A HPMC módosított gipszszuszpenzió reológiai görbéi különböző hőmérsékleteken a Herschel⁃Bulkley (H⁃B) modellillesztés alapján, így megkapjuk a HPMC módosított gipszszuszpenzió n pszeudoplasztikus indexét.

A HPMC módosított gipszzagy n pszeudoplasztikus indexe szerint a HPMC-vel kevert gipszzagy nyírási deformációja nyírási elvékonyodás, az n érték pedig a hőmérséklet emelkedésével fokozatosan növekszik, ami azt jelzi, hogy a HPMC-módosított gipsz nyírási elvékonyodása bizonyos mértékig legyengül a hőmérséklet hatására.

A 75000 mPa· HPMC nyírási feszültség adatokból számolt nyírósebességű módosított gipszzagy látszólagos viszkozitásváltozásai alapján különböző hőmérsékleteken megállapítható, hogy a módosított gipszzagy képlékeny viszkozitása a nyírási sebesség növekedésével gyorsan csökken, amely igazolja a H⁃B modell illeszkedési eredményét. A módosított gipszzagy nyírási elvékonyodást mutatott. A hőmérséklet emelkedésével a keverék látszólagos viszkozitása kis nyírósebesség mellett bizonyos mértékig csökken, ami azt jelzi, hogy a módosított gipszzagy nyíróhígító hatása gyengül.

A gipszgitt tényleges felhasználása során a gipszzagynak a dörzsölési folyamat során könnyen deformálhatónak kell lennie, és nyugalmi állapotban is stabilnak kell maradnia, ami megköveteli, hogy a gipszszuszpenzió jó nyíróhígító tulajdonságokkal rendelkezzen, és a HPMC-módosított gipsz nyírási változása ritkán fordul elő. bizonyos mértékig, ami nem kedvez a gipsz anyagok építésének. A HPMC viszkozitása az egyik fontos paraméter, és egyben a fő oka annak, hogy sűrítő szerepet játszik a keverési áramlás változó jellemzőinek javításában. Maga a cellulóz-éter a forró gél tulajdonságaival rendelkezik, vizes oldatának viszkozitása a hőmérséklet emelkedésével fokozatosan csökken, és a gélesedési hőmérséklet elérésekor fehér gél válik ki. A cellulóz-éterrel módosított gipsz reológiai paramétereinek hőmérséklet-változása szorosan összefügg a viszkozitás változásával, mivel a sűrítő hatás a cellulóz-éter és a kevert zagy egymásra épülésének eredménye. A gyakorlati tervezés során figyelembe kell venni a környezeti hőmérséklet hatását a HPMC teljesítményére. Például a nyersanyagok hőmérsékletét nyáron magas hőmérsékleten kell szabályozni, hogy elkerüljük a módosított gipsz magas hőmérséklet által okozott rossz működési teljesítményét.

2.2 Vízvisszatartás aHPMC módosított gipsz

A három különböző cellulóz-éter specifikációval módosított gipszzagy vízvisszatartása az adagolási görbével változik. A HPMC adagolásának növelésével a gipszzagy vízvisszatartási aránya jelentősen javul, és a növekedési trend stabilizálódik, ha a HPMC adagolása eléri a 0,3%-ot. Végül a gipszzagy vízvisszatartási aránya stabil, 90-95%. Ez azt jelzi, hogy a HPMC-nek nyilvánvaló vízvisszatartó hatása van a kőpaszta pasztán, de a vízmegtartó hatás nem javul jelentősen, ahogy az adagolás tovább nő. A HPMC vízvisszatartási arányának három specifikációjában a különbség nem nagy, például ha a tartalom 0,3%, a vízvisszatartási arány tartománya 5%, a szórása 2,2. A legmagasabb viszkozitású HPMC nem a legmagasabb vízvisszatartási arány, és a legalacsonyabb viszkozitású HPMC nem a legalacsonyabb vízvisszatartási arány. A tiszta gipszhez képest azonban a három HPMC vízvisszatartási rátája a gipszzagyhoz jelentősen javul, és a módosított gipsz vízvisszatartási aránya 0,3%-os tartalomban 95%, 106%, 97%-kal nő a gipszzagyhoz képest. üres kontrollcsoport. A cellulóz-éter nyilvánvalóan javíthatja a gipszzagy vízvisszatartását. A HPMC tartalom növekedésével a különböző viszkozitású HPMC módosított gipszzagy vízvisszatartási aránya fokozatosan eléri a telítési pontot. Az 10000mPa·sHPMC 0,3%-nál érte el a telítési pontot, a 75000mPa·s és a 20000mPa·s HPMC 0,2%-nál érte el a telítési pontot. Az eredmények azt mutatják, hogy a 75000mPa·s HPMC-módosított gipsz vízvisszatartása változik a hőmérséklettel különböző dózisok mellett. A hőmérséklet csökkenésével a HPMC módosított gipsz vízvisszatartó képessége fokozatosan csökken, míg a tiszta gipsz vízvisszatartási rátája lényegében változatlan marad, ami azt jelzi, hogy a hőmérséklet emelkedése gyengíti a HPMC gipszre gyakorolt ​​vízvisszatartó hatását. A HPMC vízvisszatartási aránya 31,5%-kal csökkent, amikor a hőmérséklet 20 ℃-ról 40 ℃-ra emelkedett. Amikor a hőmérséklet 40 ℃-ról 60 ℃-ra emelkedik, a HPMC módosított gipsz vízvisszatartási aránya alapvetően megegyezik a tiszta gipszével, ami azt jelzi, hogy a HPMC elvesztette a gipsz vízvisszatartását javító hatását. Jian Jian és Wang Peiming azt javasolta, hogy magának a cellulóz-éternek van egy termikus géljelensége, a hőmérséklet-változás a cellulóz-éter viszkozitásának, morfológiájának és adszorpciójának változásához vezet, ami a zagykeverék teljesítményének változásához vezet. Bulichen azt is megállapította, hogy a HPMC-t tartalmazó cementoldatok dinamikus viszkozitása a hőmérséklet emelkedésével csökkent.

A keverék vízvisszatartásának hőmérséklet-emelkedés okozta változását a cellulóz-éter mechanizmusával kell kombinálni. Bulichen elmagyarázta azt a mechanizmust, amellyel a cellulóz-éter képes megtartani a vizet a cementben. A cement alapú rendszerekben a HPMC javítja a hígtrágya vízvisszatartási arányát azáltal, hogy csökkenti a cementáló rendszer által képzett „szűrőpogácsa” áteresztőképességét. A HPMC bizonyos koncentrációja a folyékony fázisban több száz nanométertől néhány mikronig terjedő kolloid asszociációt hoz létre, amely bizonyos térfogatú polimer szerkezettel hatékonyan eltömi a vízáteresztő csatornát a keverékben, csökkenti a „szűrőpogácsa” permeabilitását. hatékony vízvisszatartás elérése érdekében. Bulichen azt is kimutatta, hogy a gipszben lévő HPMCS-ek ugyanazt a mechanizmust mutatják. Ezért a HPMC folyadékfázisban képződött asszociáció hidromechanikai átmérőjének vizsgálata magyarázhatja a HPMC hatását a gipsz vízvisszatartására.

2.3 A HPMC kolloid asszociáció hidrodinamikai átmérője

Különböző koncentrációjú 75000 mPa·s HPMC részecske-eloszlási görbéi folyadékfázisban, és három HPMC specifikáció részecske-eloszlási görbéi folyékony fázisban 0,6%-os koncentrációnál. A HPMC három specifikációjú részecskeeloszlási görbéjéből a folyadékfázisban 0,6%-os koncentráció mellett látható, hogy a HPMC koncentráció növekedésével a folyadékfázisban képződő kapcsolódó vegyületek szemcsemérete is megnő. Ha a koncentráció alacsony, a HPMC aggregációja során keletkező részecskék kicsik, és a HPMC-nek csak egy kis része aggregálódik körülbelül 100 nm-es részecskévé. Ha a HPMC koncentrációja 1%, nagyszámú, körülbelül 300 nm hidrodinamikai átmérőjű kolloid asszociáció van, ami a molekuláris átfedés fontos jele. Ez a „nagy térfogatú” polimerizációs szerkezet hatékonyan blokkolja a keverékben lévő vízáteresztő csatornát, csökkenti a „pogácsa permeabilitását”, és a gipszkeverék megfelelő vízvisszatartása ennél a koncentrációnál is meghaladja a 90%-ot. A folyadékfázisban eltérő viszkozitású HPMC hidromechanikai átmérői alapvetően megegyeznek, ez magyarázza a különböző viszkozitású HPMC módosított gipszszuszpenzió hasonló vízvisszatartását.

75000mPa·s HPMC részecskeméret-eloszlási görbéi 1%-os koncentrációval különböző hőmérsékleteken. A hőmérséklet emelkedésével nyilvánvalóan megfigyelhető a HPMC kolloid asszociáció bomlása. 40 °C-on a 300 nm-es asszociáció nagy térfogata teljesen eltűnt, és kis térfogatú, 15 nm-es részecskékre bomlott. A hőmérséklet további emelésével a HPMC kisebb részecskékké válik, és a gipszzagy vízvisszatartása teljesen megszűnik.

A hőmérséklet emelkedésével megváltozó HPMC-tulajdonságok jelenségét forrógél-tulajdonságnak is nevezik, a jelenlegi általános nézet szerint alacsony hőmérsékleten a HPMC makromolekulák először vízben diszpergálva oldják fel az oldatot, a HPMC-molekulák pedig nagy koncentrációban nagy részecsketársulást hoznak létre. . A hőmérséklet emelkedésével a HPMC hidratáltsága gyengül, a láncok közötti víz fokozatosan kiürül, a nagy asszociációs vegyületek fokozatosan kis részecskékké diszpergálódnak, az oldat viszkozitása csökken, és a gélesedés során háromdimenziós hálózati szerkezet alakul ki. elérjük a hőmérsékletet, és a fehér gél kicsapódik.

Bodvik azt találta, hogy a folyadékfázisú HPMC mikroszerkezete és adszorpciós tulajdonságai megváltoztak. Bulichen elméletével a HPMC kolloid asszociáció gátolja a zagyvíz szállítási csatornát, arra a következtetésre jutottunk, hogy a hőmérséklet emelkedése a HPMC kolloid asszociáció széteséséhez vezetett, ami a módosított gipsz vízvisszatartásának csökkenését eredményezte.

3. Következtetés

(1) Maga a cellulóz-éter nagy viszkozitású és „ráhelyezett” hatással rendelkezik a gipszzagyhoz, és nyilvánvaló sűrítő hatást fejt ki. Szobahőmérsékleten a sűrítő hatás nyilvánvalóbbá válik a viszkozitás és a cellulóz-éter adagolásának növekedésével. A hőmérséklet emelkedésével azonban csökken a cellulóz-éter viszkozitása, gyengül sűrítő hatása, csökken a gipszkeverék folyási nyírófeszültsége és képlékeny viszkozitása, gyengül a pszeudoplaszticitás, romlik az építési tulajdonság.

(2) A cellulóz-éter javította a gipsz vízvisszatartását, de a hőmérséklet emelkedésével a módosított gipsz vízvisszatartása is jelentősen csökkent, még 60 ℃-on is teljesen elveszíti a vízvisszatartó hatását. A gipszzagy vízvisszatartási rátáját a cellulóz-éter jelentősen javította, a különböző viszkozitású HPMC-vel módosított gipszszuszpenzió vízvisszatartási rátája pedig a dózis növelésével fokozatosan elérte a telítési pontot. A gipsz vízvisszatartása általában arányos a cellulóz-éter viszkozitásával, nagy viszkozitásnál csekély hatása van.

(3) A cellulóz-éter vízvisszatartását a hőmérséklet függvényében megváltoztató belső tényezők szorosan összefüggenek a folyadékfázisú cellulóz-éter mikroszkopikus morfológiájával. Egy bizonyos koncentrációban a cellulóz-éter hajlamos aggregálódni, és nagy kolloid asszociációkat hoz létre, blokkolva a gipszkeverék vízszállító csatornáját, így magas vízvisszatartás érhető el. A hőmérséklet emelkedésével azonban magának a cellulóz-éternek a termikus gélesedő tulajdonsága miatt a korábban kialakult nagy kolloid asszociáció újra diszpergálódik, ami a vízmegtartó képesség csökkenéséhez vezet.