Etere di cellulosa nei prodotti a base di cemento

L'etere di cellulosa è un tipo di additivo multiuso che può essere utilizzato nei prodotti in cemento. Questo articolo presenta le proprietà chimiche della metilcellulosa (MC) e dell'idrossipropilmetilcellulosa (HPMC/) comunemente utilizzate nei prodotti cementizi, il metodo e il principio della soluzione netta e le principali caratteristiche della soluzione. La diminuzione della temperatura e della viscosità del gel termico nei prodotti cementizi è stata discussa sulla base dell'esperienza pratica di produzione.

Parole chiave:etere di cellulosa; Metilcellulosa;Idrossipropilmetilcellulosa; Temperatura del gel caldo; viscosità

1. Panoramica

L'etere di cellulosa (abbreviato CE) è ottenuto dalla cellulosa attraverso la reazione di eterificazione di uno o più agenti eterificanti e macinazione a secco. Il CE può essere suddiviso in tipi ionici e non ionici, tra cui il tipo non ionico CE per le sue caratteristiche uniche di gel termico e solubilità, resistenza al sale, resistenza al calore e ha un'attività superficiale adeguata. Può essere utilizzato come agente di ritenzione idrica, agente di sospensione, emulsionante, agente filmogeno, lubrificante, adesivo e miglioratore reologico. Le principali aree di consumo estero sono i rivestimenti in lattice, i materiali da costruzione, l'estrazione petrolifera e così via. Rispetto all’estero, la produzione e l’applicazione di CE idrosolubile è ancora agli inizi. Con il miglioramento della salute delle persone e della consapevolezza ambientale. Il CE solubile in acqua, che è innocuo per la fisiologia e non inquina l'ambiente, avrà un grande sviluppo.

Nel campo dei materiali da costruzione, il CE solitamente selezionato è la metilcellulosa (MC) e l'idrossipropilmetilcellulosa (HPMC), che possono essere utilizzate come plastificante per vernici, intonaci, malte e prodotti cementizi, viscosizzante, agente di ritenzione idrica, agente di trascinamento dell'aria e agente ritardante. La maggior parte dell'industria dei materiali da costruzione viene utilizzata a temperatura normale, le condizioni di utilizzo sono polvere di miscela secca e acqua, che coinvolgono meno le caratteristiche di dissoluzione e le caratteristiche di gel caldo del CE, ma nella produzione meccanizzata di prodotti in cemento e altre condizioni di temperatura speciali, queste caratteristiche di CE svolgerà un ruolo più completo.

2. Proprietà chimiche del CE

Il CE si ottiene trattando la cellulosa attraverso una serie di metodi chimici e fisici. In base alla diversa struttura di sostituzione chimica, solitamente può essere divisa in: MC, HPMC, idrossietilcellulosa (HEC), ecc.: Ciascun CE ha la struttura di base della cellulosa: glucosio disidratato. Nel processo di produzione del CE, le fibre di cellulosa vengono prima riscaldate in una soluzione alcalina e poi trattate con agenti eterificanti. I prodotti fibrosi della reazione vengono purificati e polverizzati fino a formare una polvere uniforme di una certa finezza.

Il processo produttivo di MC utilizza esclusivamente cloruro di metano come agente eterificante. Oltre all'utilizzo del cloruro di metano, la produzione di HPMC utilizza anche l'ossido di propilene per ottenere gruppi sostituenti idrossipropilici. Vari CE hanno tassi di sostituzione diversi di metile e idrossipropile, che influiscono sulla compatibilità organica e sulla temperatura del gel termico della soluzione CE.

Il numero di gruppi di sostituzione sulle unità strutturali di glucosio disidratato della cellulosa può essere espresso dalla percentuale di massa o dal numero medio di gruppi di sostituzione (ovvero DS — Grado di sostituzione). Il numero di gruppi sostituenti determina le proprietà dei prodotti CE. L'effetto del grado medio di sostituzione sulla solubilità dei prodotti di eterificazione è il seguente:

(1) basso grado di sostituzione solubile nella liscivia;

(2) grado di sostituzione leggermente elevato solubile in acqua;

(3) alto grado di sostituzione disciolto in solventi organici polari;

(4) Grado di sostituzione più elevato disciolto in solventi organici non polari.

3. Metodo di dissoluzione del CE

Il CE ha una proprietà di solubilità unica, quando la temperatura sale ad una certa temperatura, è insolubile in acqua, ma al di sotto di questa temperatura la sua solubilità aumenterà con la diminuzione della temperatura. Il CE è solubile in acqua fredda (e in alcuni casi in specifici solventi organici) attraverso il processo di rigonfiamento e idratazione. Le soluzioni CE non hanno le ovvie limitazioni di solubilità che compaiono nella dissoluzione dei sali ionici. La concentrazione di CE è generalmente limitata alla viscosità che può essere controllata dalle apparecchiature di produzione e varia anche in base alla viscosità e alla varietà chimica richiesta dall'utente. La concentrazione della soluzione di CE a bassa viscosità è generalmente pari al 10% ~ 15% e quella ad alta viscosità è generalmente limitata al 2% ~ 3%. Diversi tipi di CE (come polvere o polvere trattata in superficie o granulare) possono influenzare il modo in cui viene preparata la soluzione.

3.1 CE senza trattamento superficiale

Sebbene il CE sia solubile in acqua fredda, deve essere completamente disperso in acqua per evitare la formazione di grumi. In alcuni casi, è possibile utilizzare un miscelatore o un imbuto ad alta velocità in acqua fredda per disperdere la polvere CE. Tuttavia, se la polvere non trattata viene aggiunta direttamente all'acqua fredda senza sufficientemente agitare, si formeranno grumi consistenti. Il motivo principale dell'agglomerazione è che le particelle di polvere CE non sono completamente bagnate. Quando solo una parte della polvere si scioglie, si forma una pellicola di gel che impedisce alla polvere rimanente di continuare a dissolversi. Pertanto, prima della dissoluzione, le particelle CE dovrebbero essere completamente disperse il più possibile. Vengono comunemente utilizzati i due metodi di dispersione seguenti.

3.1.1 Metodo di dispersione della miscela secca

Questo metodo è più comunemente utilizzato nei prodotti in cemento. Prima di aggiungere acqua, mescolare uniformemente l'altra polvere con la polvere CE, in modo che le particelle di polvere CE vengano disperse. Rapporto minimo di miscelazione: Altra polvere: polvere CE =(3 ~ 7): 1.

In questo metodo, la dispersione del CE viene completata allo stato secco, utilizzando altra polvere come mezzo per disperdere le particelle di CE tra loro, in modo da evitare il legame reciproco delle particelle di CE quando si aggiunge acqua e influenzare l'ulteriore dissoluzione. Pertanto, per la dispersione non è necessaria acqua calda, ma la velocità di dissoluzione dipende dalle particelle di polvere e dalle condizioni di agitazione.

3.1.2 Metodo di dispersione dell'acqua calda

(1) Il primo 1/5~1/3 dell'acqua richiesta viene riscaldata a 90°C sopra, aggiungere CE, quindi mescolare fino a quando tutte le particelle si disperdono bagnate, quindi aggiungere l'acqua rimanente in acqua fredda o ghiacciata per ridurre la temperatura dell'acqua soluzione, una volta raggiunta la temperatura di dissoluzione CE, la polvere comincia ad idratarsi, la viscosità aumenta.

(2) È anche possibile riscaldare tutta l'acqua e quindi aggiungere CE per mescolare mentre si raffredda fino al completamento dell'idratazione. Un raffreddamento sufficiente è molto importante per la completa idratazione del CE e la formazione di viscosità. Per una viscosità ideale, la soluzione MC deve essere raffreddata a 0~5℃, mentre HPMC deve essere raffreddata solo a 20~25℃ o inferiore. Poiché l'idratazione completa richiede un raffreddamento sufficiente, le soluzioni HPMC sono comunemente utilizzate laddove non è possibile utilizzare acqua fredda: secondo le informazioni, HPMC ha una riduzione della temperatura inferiore rispetto a MC a temperature più basse per ottenere la stessa viscosità. Vale la pena notare che il metodo di dispersione in acqua calda fa sì che le particelle CE si disperdano uniformemente solo a una temperatura più elevata, ma al momento non si forma alcuna soluzione. Per ottenere una soluzione con una certa viscosità è necessario raffreddarla nuovamente.

3.2 Polvere CE disperdibile trattata in superficie

In molti casi, il CE deve avere caratteristiche sia di disperdibilità che di idratazione rapida (formazione di viscosità) in acqua fredda. Il CE trattato in superficie è temporaneamente insolubile in acqua fredda dopo uno speciale trattamento chimico, il che garantisce che quando il CE viene aggiunto all'acqua, non formerà immediatamente una viscosità evidente e potrà essere disperso in condizioni di forza di taglio relativamente piccola. Il “tempo di ritardo” dell'idratazione o della formazione di viscosità è il risultato della combinazione del grado di trattamento superficiale, della temperatura, del pH del sistema e della concentrazione della soluzione CE. Il ritardo dell'idratazione è generalmente ridotto a concentrazioni, temperature e livelli di pH più elevati. In generale, tuttavia, la concentrazione di CE non viene considerata finché non raggiunge il 5% (il rapporto in massa dell'acqua).

Per ottenere i migliori risultati e una completa idratazione, la superficie trattata CE deve essere agitata per alcuni minuti in condizioni neutre, con un intervallo di pH compreso tra 8,5 e 9,0, fino al raggiungimento della massima viscosità (solitamente 10-30 minuti). Una volta che il pH passa a basico (pH da 8,5 a 9,0), il CE superficiale trattato si dissolve completamente e rapidamente e la soluzione può essere stabile a pH compreso tra 3 e 11. Tuttavia, è importante notare che la regolazione del pH di un impasto liquido ad alta concentrazione farà sì che la viscosità sia troppo elevata per il pompaggio e il versamento. Il pH deve essere regolato dopo che l'impasto liquido è stato diluito alla concentrazione desiderata.

Riassumendo, il processo di dissoluzione della CE comprende due processi: dispersione fisica e dissoluzione chimica. La chiave è disperdere le particelle CE tra loro prima della dissoluzione, in modo da evitare l'agglomerazione dovuta all'elevata viscosità durante la dissoluzione a bassa temperatura, che influenzerà l'ulteriore dissoluzione.

4. Proprietà della soluzione CE

Diversi tipi di soluzioni acquose CE gelificheranno alle loro temperature specifiche. Il gel è completamente reversibile e forma una soluzione quando viene nuovamente raffreddato. La gelificazione termica reversibile del CE è unica. In molti prodotti in cemento, l'uso principale della viscosità del CE e delle corrispondenti proprietà di ritenzione idrica e di lubrificazione, e la viscosità e la temperatura del gel hanno una relazione diretta, sotto la temperatura del gel, minore è la temperatura, maggiore è la viscosità del CE, migliore è la prestazione di ritenzione idrica corrispondente.

L'attuale spiegazione del fenomeno del gel è questa: nel processo di dissoluzione, questo è simile

Le molecole polimeriche del filo si collegano allo strato molecolare dell'acqua, provocandone il rigonfiamento. Le molecole d'acqua agiscono come olio lubrificante, che può separare lunghe catene di molecole polimeriche, in modo che la soluzione abbia le proprietà di un fluido viscoso facile da scaricare. Quando la temperatura della soluzione aumenta, il polimero cellulosico perde gradualmente acqua e la viscosità della soluzione diminuisce. Quando viene raggiunto il punto di gelificazione, il polimero si disidrata completamente, determinando il legame tra i polimeri e la formazione del gel: la forza del gel continua ad aumentare man mano che la temperatura rimane al di sopra del punto di gelificazione.

Quando la soluzione si raffredda, il gel inizia a invertirsi e la viscosità diminuisce. Infine, la viscosità della soluzione di raffreddamento ritorna alla curva di aumento della temperatura iniziale e aumenta con la diminuzione della temperatura. La soluzione può essere raffreddata al suo valore di viscosità iniziale. Pertanto, il processo di gel termico della CE è reversibile.

Il ruolo principale del CE nei prodotti in cemento è quello di viscosizzante, plastificante e agente di ritenzione idrica, quindi il modo in cui controllare la viscosità e la temperatura del gel è diventato un fattore importante nei prodotti in cemento che di solito utilizzano il punto di temperatura iniziale del gel al di sotto di una sezione della curva, quindi più bassa è la temperatura, maggiore è la viscosità, più evidente è l'effetto della ritenzione idrica del viscosizzante. I risultati dei test sulla linea di produzione di pannelli in cemento per estrusione mostrano inoltre che quanto più bassa è la temperatura del materiale a parità di contenuto di CE, tanto migliore è l'effetto di viscosificazione e ritenzione idrica. Poiché il sistema cementizio è un sistema di proprietà fisiche e chimiche estremamente complesso, ci sono molti fattori che influenzano il cambiamento della temperatura e della viscosità del gel CE. E l'influenza dei vari trend e gradi di Taianin non è la stessa, quindi l'applicazione pratica ha anche scoperto che dopo aver miscelato il sistema di cemento, il punto di temperatura effettivo del gel di CE (ovvero, il declino dell'effetto di ritenzione di colla e acqua è molto evidente a questa temperatura ) sono inferiori alla temperatura del gel indicata dal prodotto, pertanto, nella scelta dei prodotti CE, tenere conto dei fattori che causano il calo della temperatura del gel. Di seguito sono riportati i principali fattori che riteniamo influenzino la viscosità e la temperatura del gel della soluzione CE nei prodotti in cemento.

4.1 Influenza del valore pH sulla viscosità

MC e HPMC non sono ionici, quindi la viscosità della soluzione rispetto alla viscosità della colla ionica naturale ha un intervallo più ampio di stabilità DH, ma se il valore del pH supera l'intervallo 3 ~ 11, ridurranno gradualmente la viscosità a un livello temperatura più elevata o in deposito per un lungo periodo di tempo, in particolare soluzioni ad alta viscosità. La viscosità della soluzione del prodotto CE diminuisce in una soluzione di acido forte o base forte, principalmente a causa della disidratazione di CE causata da base e acido. Pertanto, la viscosità del CE solitamente diminuisce in una certa misura nell'ambiente alcalino dei prodotti in cemento.

4.2 Influenza della velocità di riscaldamento e dell'agitazione sul processo di gelificazione

La temperatura del punto di gelificazione sarà influenzata dall'effetto combinato della velocità di riscaldamento e della velocità di taglio dell'agitazione. L'agitazione ad alta velocità e il riscaldamento rapido generalmente aumentano in modo significativo la temperatura del gel, il che è favorevole per i prodotti cementizi formati mediante miscelazione meccanica.

4.3 Influenza della concentrazione sul gel caldo

L'aumento della concentrazione della soluzione solitamente abbassa la temperatura del gel e i punti di gel del CE a bassa viscosità sono più alti di quelli del CE ad alta viscosità. Come il METHOCEL A

La temperatura del gel verrà ridotta di 10°C per ogni aumento del 2% della concentrazione del prodotto. Un aumento del 2% nella concentrazione dei prodotti di tipo F ridurrà la temperatura del gel di 4°C.

4.4 Influenza degli additivi sulla gelificazione termica

Nel campo dei materiali da costruzione, molti materiali sono sali inorganici, che avranno un impatto significativo sulla temperatura del gel della soluzione CE. A seconda che l'additivo agisca come agente coagulante o solubilizzante, alcuni additivi possono aumentare la temperatura del gel termico del CE, mentre altri possono diminuire la temperatura del gel termico del CE: ad esempio, l'etanolo che migliora il solvente, PEG-400 (polietilenglicole) , anediolo, ecc., possono aumentare il punto di gelificazione. Sali, glicerina, sorbitolo e altre sostanze ridurranno il punto di gelificazione, il CE non ionico generalmente non verrà precipitato a causa degli ioni metallici polivalenti, ma quando la concentrazione dell'elettrolita o di altre sostanze disciolte supera un certo limite, i prodotti CE possono essere salati in soluzione, ciò è dovuto alla competizione degli elettroliti con l'acqua, con conseguente riduzione dell'idratazione di CE. Il contenuto di sale della soluzione del prodotto CE è generalmente leggermente superiore a quello del prodotto Mc e il contenuto di sale è leggermente diverso in diversi HPMC.

Molti ingredienti nei prodotti cementizi faranno diminuire il punto di gelificazione del CE, quindi la selezione degli additivi dovrebbe tenere conto del fatto che ciò potrebbe causare modifiche del punto di gelificazione e della viscosità del CE.

5.Conclusione

(1) l'etere di cellulosa è cellulosa naturale attraverso la reazione di eterificazione, ha l'unità strutturale di base del glucosio disidratato, a seconda del tipo e del numero di gruppi sostituenti nella sua posizione di sostituzione e ha proprietà diverse. L'etere non ionico come MC e HPMC può essere utilizzato come viscosizzante, agente di ritenzione dell'acqua, agente di trascinamento dell'aria e altri ampiamente utilizzati nei materiali da costruzione.

(2) CE ha una solubilità unica, formando soluzioni a una determinata temperatura (come la temperatura del gel) e formando gel solido o miscela di particelle solide alla temperatura del gel. I principali metodi di dissoluzione sono il metodo di dispersione con miscelazione a secco, il metodo di dispersione con acqua calda, ecc., Nei prodotti in cemento comunemente utilizzato è il metodo di dispersione con miscelazione a secco. La chiave è disperdere il CE in modo uniforme prima che si dissolva, formando una soluzione a basse temperature.

(3) La concentrazione della soluzione, la temperatura, il valore del pH, le proprietà chimiche degli additivi e la velocità di agitazione influenzeranno la temperatura del gel e la viscosità della soluzione CE, in particolare i prodotti cementizi sono soluzioni saline inorganiche in ambiente alcalino, solitamente riducono la temperatura del gel e la viscosità della soluzione CE , portando effetti negativi. Pertanto, secondo le caratteristiche del CE, in primo luogo, dovrebbe essere utilizzato a bassa temperatura (al di sotto della temperatura del gel) e, in secondo luogo, dovrebbe essere presa in considerazione l'influenza degli additivi.