Pengaruh suhu lingkungan terhadap kemampuan kerja gipsum termodifikasi selulosa eter

Kinerja gipsum termodifikasi selulosa eter pada suhu lingkungan yang berbeda sangat berbeda, namun mekanismenya tidak jelas. Pengaruh selulosa eter pada parameter reologi dan retensi air bubur gipsum pada suhu lingkungan yang berbeda dipelajari. Diameter hidrodinamik selulosa eter dalam fase cair diukur dengan metode hamburan cahaya dinamis, dan mekanisme pengaruhnya dieksplorasi. Hasilnya menunjukkan bahwa selulosa eter memiliki efek penahan air dan pengentalan yang baik pada gipsum. Dengan bertambahnya kandungan selulosa eter maka viskositas slurry meningkat dan kapasitas penahan air meningkat. Namun, dengan meningkatnya suhu, kapasitas penahan air dari bubur gipsum termodifikasi menurun sampai batas tertentu, dan parameter reologi juga berubah. Mengingat bahwa asosiasi koloid selulosa eter dapat mencapai retensi air dengan menghalangi saluran transportasi air, kenaikan suhu dapat menyebabkan disintegrasi asosiasi volume besar yang dihasilkan oleh selulosa eter, sehingga mengurangi retensi air dan kinerja kerja gipsum yang dimodifikasi.

Kata kunci:gips; selulosa eter; Suhu; Retensi air; reologi

0. Pendahuluan

Gypsum, sebagai bahan ramah lingkungan dengan konstruksi dan sifat fisik yang baik, banyak digunakan dalam proyek dekorasi. Dalam penerapan material berbahan dasar gipsum, biasanya ditambahkan bahan penahan air untuk memodifikasi slurry guna mencegah hilangnya air pada proses hidrasi dan pengerasan. Selulosa eter adalah zat penahan air yang paling umum saat ini. Karena CE ionik akan bereaksi dengan Ca2+, sering kali digunakan CE nonionik, seperti: hidroksipropil metil selulosa eter, hidroksietil metil selulosa eter, dan metil selulosa eter. Penting untuk mempelajari sifat-sifat gipsum termodifikasi selulosa eter untuk penerapan gipsum yang lebih baik dalam teknik dekorasi.

Selulosa eter adalah senyawa molekul tinggi yang dihasilkan oleh reaksi alkali selulosa dan zat eterifikasi dalam kondisi tertentu. Selulosa eter nonionik yang digunakan dalam teknik konstruksi memiliki efek dispersi, retensi air, ikatan dan pengentalan yang baik. Penambahan selulosa eter mempunyai pengaruh yang sangat nyata terhadap retensi air gipsum, namun kuat lentur dan kuat tekan badan gipsum yang mengeras juga sedikit menurun seiring bertambahnya jumlah penambahan. Hal ini karena selulosa eter memiliki efek pemasukan udara tertentu, yang akan menimbulkan gelembung selama proses pencampuran bubur, sehingga mengurangi sifat mekanik dari benda yang mengeras. Pada saat yang sama, terlalu banyak selulosa eter akan membuat campuran gipsum menjadi terlalu lengket, sehingga berdampak pada kinerja konstruksinya.

Proses hidrasi gipsum dapat dibagi menjadi empat tahap: pelarutan kalsium sulfat hemihidrat, kristalisasi nukleasi kalsium sulfat dihidrat, pertumbuhan inti kristal dan pembentukan struktur kristal. Pada proses hidrasi gipsum, gugus fungsi hidrofilik selulosa eter yang teradsorpsi pada permukaan partikel gipsum akan memfiksasi sebagian molekul air, sehingga memperlambat proses nukleasi hidrasi gipsum dan memperpanjang waktu pengerasan gipsum. Melalui pengamatan SEM, Mroz menemukan bahwa meskipun kehadiran selulosa eter menunda pertumbuhan kristal, namun meningkatkan tumpang tindih dan agregasi kristal.

Selulosa eter mengandung gugus hidrofilik sehingga mempunyai sifat hidrofilisitas tertentu, polimer rantai panjang saling berhubungan satu sama lain sehingga mempunyai viskositas yang tinggi, interaksi keduanya menjadikan selulosa mempunyai efek pengental penahan air yang baik pada campuran gipsum. Bulichen menjelaskan mekanisme retensi air selulosa eter dalam semen. Pada pencampuran rendah, selulosa eter teradsorpsi pada semen untuk penyerapan air intramolekul dan disertai pembengkakan untuk mencapai retensi air. Pada saat ini, retensi air buruk. Dosis tinggi, selulosa eter akan membentuk ratusan nanometer hingga beberapa mikron polimer koloid, secara efektif memblokir sistem gel di dalam lubang, untuk mencapai retensi air yang efisien. Mekanisme kerja selulosa eter dalam gipsum sama dengan semen, namun semakin tinggi konsentrasi SO42- dalam fase cair bubur gipsum akan melemahkan efek selulosa dalam menahan air.

Berdasarkan kandungan di atas, dapat diketahui bahwa penelitian saat ini mengenai gipsum termodifikasi selulosa eter sebagian besar berfokus pada proses hidrasi selulosa eter pada campuran gipsum, sifat retensi air, sifat mekanik dan struktur mikro benda yang mengeras, serta mekanisme selulosa eter. retensi air. Namun studi tentang interaksi antara selulosa eter dan bubur gipsum pada suhu tinggi masih belum memadai. Larutan berair selulosa eter akan menjadi gelatin pada suhu tertentu. Dengan meningkatnya suhu, viskositas larutan selulosa eter secara bertahap akan menurun. Ketika suhu gelatinisasi tercapai, selulosa eter akan diendapkan menjadi gel berwarna putih. Misalnya, dalam konstruksi musim panas, suhu lingkungan tinggi, sifat gel termal selulosa eter pasti akan menyebabkan perubahan kemampuan kerja bubur gipsum yang dimodifikasi. Karya ini mengeksplorasi pengaruh kenaikan suhu terhadap kemampuan kerja bahan gipsum termodifikasi selulosa eter melalui eksperimen sistematis, dan memberikan panduan untuk penerapan praktis gipsum termodifikasi selulosa eter.

1. Eksperimen

1.1 Bahan Baku

Gypsum adalah gipsum bangunan alami tipe β yang disediakan oleh Beijing Ecological Home Group.

Selulosa eter dipilih dari Grup Shandong Yiteng hidroksipropil metil selulosa eter, spesifikasi produk untuk 75.000 mPa·s, 100.000 mPa·s dan 200000mPa·s, suhu gelasi di atas 60 ℃. Asam sitrat dipilih sebagai penghambat gipsum.

1.2 Uji Reologi

Alat uji reologi yang digunakan adalah RST⁃CC Rheometer produksi BROOKFIELD USA. Parameter reologi seperti viskositas plastis dan tegangan geser luluh bubur gipsum ditentukan oleh wadah sampel MBT⁃40F⁃0046 dan rotor CC3⁃40, dan data diolah dengan perangkat lunak RHE3000.

Karakteristik campuran gipsum sesuai dengan perilaku reologi fluida Bingham yang biasanya dipelajari dengan menggunakan model Bingham. Namun, karena pseudoplastisitas selulosa eter yang ditambahkan ke gipsum yang dimodifikasi polimer, campuran bubur biasanya memiliki sifat penipisan geser tertentu. Dalam hal ini, model Bingham (M⁃B) yang dimodifikasi dapat lebih menggambarkan kurva reologi gipsum. Untuk mempelajari deformasi geser gipsum, penelitian ini juga menggunakan model Herschel⁃Bulkley (H⁃B).

1.3 Uji retensi air

Prosedur pengujian mengacu pada GB/T28627⁃2012 Plesteran Plester. Selama percobaan dengan suhu sebagai variabel, gipsum dipanaskan terlebih dahulu 1 jam pada suhu yang sesuai di dalam oven, dan air campuran yang digunakan dalam percobaan dipanaskan terlebih dahulu 1 jam pada suhu yang sesuai dalam penangas air suhu konstan, dan instrumen yang digunakan telah dipanaskan sebelumnya.

1.4 Uji diameter hidrodinamik

Diameter hidrodinamik (D50) dari asosiasi polimer HPMC dalam fase cair diukur menggunakan penganalisis ukuran partikel hamburan cahaya dinamis (Malvern Zetasizer NanoZS90).

2. Hasil dan pembahasan

2.1 Sifat reologi gipsum termodifikasi HPMC

Viskositas semu adalah rasio tegangan geser terhadap laju geser yang bekerja pada suatu fluida dan merupakan parameter untuk mengkarakterisasi aliran fluida non-Newtonian. Viskositas nyata dari bubur gipsum yang dimodifikasi berubah seiring dengan kandungan selulosa eter pada tiga spesifikasi berbeda (75000mPa·s, 100,000mpa ·s dan 200000mPa·s). Suhu pengujian adalah 20 ℃. Pada laju geser rheometer 14 menit-1 terlihat bahwa viskositas bubur gipsum meningkat seiring dengan bertambahnya penggabungan HPMC, dan semakin tinggi viskositas HPMC maka semakin tinggi pula viskositas bubur gipsum termodifikasi. Hal ini menunjukkan bahwa HPMC mempunyai efek pengentalan dan viskosifikasi yang jelas pada bubur gipsum. Bubur gipsum dan selulosa eter merupakan zat dengan viskositas tertentu. Dalam campuran gipsum yang dimodifikasi, selulosa eter teradsorpsi pada permukaan produk hidrasi gipsum, dan jaringan yang dibentuk oleh selulosa eter dan jaringan yang dibentuk oleh campuran gipsum saling terjalin, menghasilkan “efek superposisi”, yang secara signifikan meningkatkan viskositas keseluruhan gipsum. bahan dasar gipsum yang dimodifikasi.

Kurva tegangan geser ⁃ dari pasta gipsum murni (G⁃H) dan gipsum termodifikasi (G⁃H) yang didoping dengan 75000mPa· s-HPMC, seperti yang disimpulkan dari model Bingham (M⁃B) yang telah direvisi. Dapat diketahui bahwa dengan meningkatnya laju geser maka tegangan geser campuran juga meningkat. Diperoleh nilai viskositas plastis (ηp) dan tegangan geser luluh (τ0) gipsum murni dan gipsum termodifikasi HPMC pada temperatur berbeda.

Dari nilai viskositas plastis (ηp) dan tegangan luluh (τ0) gipsum murni dan gipsum termodifikasi HPMC pada temperatur yang berbeda, terlihat bahwa tegangan luluh gipsum termodifikasi HPMC akan menurun terus menerus seiring dengan kenaikan temperatur, dan rendemen. stres akan berkurang 33% pada 60 ℃ dibandingkan dengan 20 ℃. Dengan mengamati kurva viskositas plastis diketahui bahwa viskositas plastis bubur gipsum termodifikasi juga menurun seiring dengan kenaikan suhu. Namun tegangan luluh dan viskositas plastis bubur gipsum murni sedikit meningkat seiring dengan kenaikan suhu, yang menunjukkan bahwa perubahan parameter reologi bubur gipsum termodifikasi HPMC pada proses kenaikan suhu disebabkan oleh perubahan sifat HPMC.

Nilai tegangan leleh bubur gipsum mencerminkan nilai tegangan geser maksimum ketika bubur menahan deformasi geser. Semakin besar nilai tegangan luluh maka semakin stabil bubur gipsum tersebut. Viskositas plastis mencerminkan laju deformasi bubur gipsum. Semakin besar viskositas plastis maka waktu deformasi geser slurry akan semakin lama. Kesimpulannya, kedua parameter reologi bubur gipsum termodifikasi HPMC menurun secara nyata seiring dengan kenaikan suhu, dan efek pengentalan HPMC pada bubur gipsum melemah.

Deformasi geser bubur mengacu pada efek penebalan geser atau penipisan geser yang dipantulkan oleh bubur ketika terkena gaya geser. Efek deformasi geser bubur dapat dinilai dengan indeks pseudoplastik n yang diperoleh dari kurva pemasangan. Ketika n < 1, bubur gipsum menunjukkan penipisan geser, dan derajat penipisan geser bubur gipsum menjadi lebih tinggi seiring dengan penurunan n. Ketika n > 1, bubur gipsum menunjukkan penebalan geser, dan derajat pengentalan geser bubur gipsum meningkat seiring bertambahnya n. Kurva reologi slurry gipsum termodifikasi HPMC pada temperatur berbeda berdasarkan fitting model Herschel⁃Bulkley (H⁃B), sehingga diperoleh indeks pseudoplastik n dari slurry gipsum termodifikasi HPMC.

Menurut indeks pseudoplastik n bubur gipsum termodifikasi HPMC, deformasi geser dari bubur gipsum yang dicampur dengan HPMC adalah penipisan geser, dan nilai n berangsur-angsur meningkat seiring dengan kenaikan suhu, yang menunjukkan bahwa perilaku penipisan geser gipsum termodifikasi HPMC akan menjadi lemah sampai batas tertentu ketika dipengaruhi oleh suhu.

Berdasarkan perubahan viskositas nyata dari bubur gipsum termodifikasi dengan laju geser yang dihitung dari data tegangan geser sebesar 75000 mPa· HPMC pada temperatur yang berbeda, diketahui bahwa viskositas plastis dari bubur gipsum termodifikasi menurun dengan cepat seiring dengan meningkatnya laju geser, yang memverifikasi hasil pemasangan model H⁃B. Bubur gipsum yang dimodifikasi menunjukkan karakteristik penipisan geser. Dengan meningkatnya suhu, viskositas nyata campuran menurun sampai batas tertentu pada laju geser yang rendah, yang menunjukkan bahwa efek penipisan geser dari bubur gipsum yang dimodifikasi melemah.

Dalam penggunaan dempul gipsum sebenarnya, bubur gipsum harus mudah mengalami deformasi selama proses penggosokan dan tetap stabil saat diam, sehingga bubur gipsum harus memiliki karakteristik penipisan geser yang baik, dan perubahan geser pada gipsum termodifikasi HPMC jarang terjadi. sampai batas tertentu, yang tidak kondusif untuk konstruksi bahan gipsum. Viskositas HPMC merupakan salah satu parameter penting, dan juga alasan utama mengapa HPMC berperan sebagai pengental untuk meningkatkan karakteristik variabel aliran pencampuran. Selulosa eter sendiri memiliki sifat gel panas, viskositas larutan berairnya menurun secara bertahap seiring dengan peningkatan suhu, dan gel putih mengendap ketika mencapai suhu gelasi. Perubahan parameter reologi gipsum termodifikasi selulosa eter terhadap suhu erat kaitannya dengan perubahan viskositas, karena efek pengentalan merupakan hasil superposisi selulosa eter dan campuran bubur. Dalam rekayasa praktis, dampak suhu lingkungan terhadap kinerja HPMC harus dipertimbangkan. Misalnya, suhu bahan mentah harus dikontrol pada suhu tinggi di musim panas untuk menghindari buruknya kinerja kerja gipsum termodifikasi yang disebabkan oleh suhu tinggi.

2.2 Retensi airGipsum modifikasi HPMC

Retensi air bubur gipsum yang dimodifikasi dengan tiga spesifikasi selulosa eter yang berbeda diubah dengan kurva dosis. Dengan peningkatan dosis HPMC, tingkat retensi air bubur gipsum meningkat secara signifikan, dan tren peningkatan menjadi stabil ketika dosis HPMC mencapai 0,3%. Terakhir, tingkat retensi air bubur gipsum stabil pada 90% ~ 95%. Hal ini menunjukkan bahwa HPMC memiliki efek penahan air yang jelas pada pasta pasta batu, namun efek penahan air tidak meningkat secara signifikan seiring dengan peningkatan dosis. Perbedaan laju retensi air ketiga spesifikasi HPMC tidak besar, misalnya bila kandungan 0,3%, kisaran laju retensi air 5%, simpangan baku 2,2. HPMC dengan viskositas tertinggi bukanlah laju retensi air tertinggi, dan HPMC dengan viskositas terendah bukanlah laju retensi air terendah. Namun, dibandingkan dengan gipsum murni, tingkat retensi air dari ketiga HPMC untuk bubur gipsum meningkat secara signifikan, dan tingkat retensi air dari gipsum yang dimodifikasi dengan kandungan 0,3% meningkat sebesar 95%, 106%, 97% dibandingkan dengan gipsum murni. kelompok kontrol kosong. Selulosa eter jelas dapat meningkatkan retensi air bubur gipsum. Dengan meningkatnya kandungan HPMC, laju retensi air bubur gipsum termodifikasi HPMC dengan viskositas berbeda secara bertahap mencapai titik jenuh. 10000mPa·sHPMC mencapai titik jenuh pada 0,3%, 75000mPa·s dan 20000mPa·s HPMC mencapai titik jenuh pada 0,2%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa retensi air gipsum termodifikasi HPMC 75000mPa·s berubah seiring suhu pada dosis yang berbeda. Dengan penurunan suhu, laju retensi air dari gipsum termodifikasi HPMC secara bertahap menurun, sedangkan laju retensi air dari gipsum murni pada dasarnya tetap tidak berubah, menunjukkan bahwa kenaikan suhu melemahkan efek retensi air HPMC pada gipsum. Tingkat retensi air HPMC menurun sebesar 31,5% ketika suhu ditingkatkan dari 20 ℃ menjadi 40 ℃. Ketika suhu naik dari 40℃ menjadi 60℃, laju retensi air gipsum termodifikasi HPMC pada dasarnya sama dengan gipsum murni, yang menunjukkan bahwa HPMC telah kehilangan efek meningkatkan retensi air gipsum saat ini. Jian Jian dan Wang Peiming mengusulkan bahwa selulosa eter itu sendiri memiliki fenomena gel termal, perubahan suhu akan menyebabkan perubahan viskositas, morfologi dan adsorpsi selulosa eter, yang pasti akan menyebabkan perubahan kinerja campuran bubur. Bulichen juga menemukan bahwa viskositas dinamis larutan semen yang mengandung HPMC menurun seiring dengan meningkatnya suhu.

Perubahan retensi air pada campuran akibat kenaikan suhu harus dikombinasikan dengan mekanisme selulosa eter. Bulichen menjelaskan mekanisme dimana selulosa eter dapat menahan air dalam semen. Dalam sistem berbasis semen, HPMC meningkatkan tingkat retensi air bubur dengan mengurangi permeabilitas “filter cake” yang dibentuk oleh sistem penyemenan. Konsentrasi HPMC tertentu dalam fase cair akan membentuk asosiasi koloid beberapa ratus nanometer hingga beberapa mikron, struktur polimer dengan volume tertentu dapat secara efektif menyumbat saluran transmisi air dalam campuran, mengurangi permeabilitas "kue filter", untuk mencapai retensi air yang efisien. Bulichen juga menunjukkan bahwa HPMCS dalam gipsum menunjukkan mekanisme yang sama. Oleh karena itu, kajian asosiasi diameter hidromekanik yang dibentuk HPMC dalam fasa cair dapat menjelaskan pengaruh HPMC terhadap retensi air gipsum.

2.3 Diameter hidrodinamik asosiasi koloid HPMC

Kurva distribusi partikel HPMC berbeda konsentrasi 75000mPa·s pada fasa cair, dan kurva distribusi partikel tiga spesifikasi HPMC pada fasa cair pada konsentrasi 0,6%. Terlihat dari kurva distribusi partikel HPMC tiga spesifikasi pada fasa cair pada konsentrasi 0,6% bahwa dengan bertambahnya konsentrasi HPMC maka ukuran partikel senyawa ikutan yang terbentuk dalam fasa cair juga semakin besar. Ketika konsentrasinya rendah, partikel yang dibentuk oleh agregasi HPMC berukuran kecil, dan hanya sebagian kecil dari agregat HPMC menjadi partikel berukuran sekitar 100nm. Ketika konsentrasi HPMC 1%, terdapat sejumlah besar asosiasi koloid dengan diameter hidrodinamik sekitar 300nm, yang merupakan tanda penting dari tumpang tindih molekul. Struktur polimerisasi “volume besar” ini dapat secara efektif memblokir saluran transmisi air dalam campuran, mengurangi “permeabilitas kue”, dan retensi air campuran gipsum pada konsentrasi ini juga lebih besar dari 90%. Diameter hidromekanik HPMC dengan viskositas berbeda dalam fase cair pada dasarnya sama, yang menjelaskan tingkat retensi air yang serupa dari bubur gipsum termodifikasi HPMC dengan viskositas berbeda.

Kurva distribusi ukuran partikel HPMC 75000mPa·s dengan konsentrasi 1% pada temperatur berbeda. Dengan meningkatnya suhu, penguraian asosiasi koloid HPMC dapat ditemukan dengan jelas. Pada 40℃, asosiasi volume besar 300nm benar-benar hilang dan terurai menjadi partikel volume kecil 15nm. Dengan peningkatan suhu lebih lanjut, HPMC menjadi partikel yang lebih kecil, dan retensi air pada bubur gipsum hilang sepenuhnya.

Fenomena perubahan sifat HPMC seiring naiknya suhu disebut juga dengan sifat gel panas, pandangan umum yang ada adalah pada suhu rendah, makromolekul HPMC terlebih dahulu terdispersi dalam air untuk melarutkan larutan, molekul HPMC dalam konsentrasi tinggi akan membentuk asosiasi partikel yang besar. . Ketika suhu naik, hidrasi HPMC melemah, air antar rantai secara bertahap dibuang, senyawa asosiasi besar secara bertahap terdispersi menjadi partikel-partikel kecil, viskositas larutan menurun, dan struktur jaringan tiga dimensi terbentuk ketika gelasi. suhu tercapai, dan gel putih diendapkan.

Bodvik menemukan bahwa struktur mikro dan sifat adsorpsi HPMC dalam fase cair berubah. Dikombinasikan dengan teori Bulichen tentang asosiasi koloid HPMC yang menghalangi saluran transportasi air bubur, disimpulkan bahwa peningkatan suhu menyebabkan disintegrasi asosiasi koloid HPMC, yang mengakibatkan penurunan retensi air dari gipsum termodifikasi.

3. Kesimpulan

(1) Selulosa eter sendiri memiliki viskositas tinggi dan efek “tumpang tindih” dengan bubur gipsum, sehingga menghasilkan efek pengentalan yang nyata. Pada suhu kamar, efek pengentalan menjadi lebih jelas dengan meningkatnya viskositas dan dosis selulosa eter. Namun seiring dengan meningkatnya suhu, viskositas selulosa eter menurun, efek pengentalannya melemah, tegangan geser luluh dan viskositas plastis campuran gipsum menurun, pseudoplastisitas melemah, dan sifat konstruksi menjadi lebih buruk.

(2) Selulosa eter meningkatkan retensi air gipsum, tetapi dengan meningkatnya suhu, retensi air gipsum termodifikasi juga menurun secara signifikan, bahkan pada suhu 60℃ akan kehilangan efek retensi air sepenuhnya. Laju retensi air bubur gipsum ditingkatkan secara signifikan dengan selulosa eter, dan laju retensi air bubur gipsum termodifikasi HPMC dengan viskositas berbeda secara bertahap mencapai titik jenuh seiring dengan peningkatan dosis. Retensi air gipsum umumnya sebanding dengan viskositas selulosa eter, pada viskositas tinggi mempunyai pengaruh yang kecil.

(3) Faktor internal yang mengubah retensi air selulosa eter dengan suhu berkaitan erat dengan morfologi mikroskopis selulosa eter dalam fase cair. Pada konsentrasi tertentu, selulosa eter cenderung beragregasi membentuk asosiasi koloid yang besar, menghalangi saluran transpor air campuran gipsum untuk mencapai retensi air yang tinggi. Namun, dengan meningkatnya suhu, karena sifat gelasi termal dari selulosa eter itu sendiri, asosiasi koloid besar yang sebelumnya terbentuk akan menyebar kembali, yang menyebabkan penurunan kinerja retensi air.