石膏ベースの機械噴霧石膏の凝集を軽減する新規 HEMC セルロース エーテルの開発

石膏ベースの機械噴霧石膏の凝集を軽減する新規 HEMC セルロース エーテルの開発

石膏ベースの機械噴霧石膏 (GSP) は、1970 年代から西ヨーロッパで広く使用されてきました。機械吹付けの出現により、左官工事の効率が効果的に向上し、建設コストが削減されました。 GSP の商業化の深化に伴い、水溶性セルロースエーテルが重要な添加剤となっています。セルロースエーテルは GSP に良好な保水性能を与え、石膏中の基材による水分の吸収を制限し、それによって安定した硬化時間と良好な機械的特性が得られます。さらに、セルロースエーテルの特定のレオロジー曲線により、機械スプレーの効果が向上し、その後のモルタルのレベリングと仕上げのプロセスが大幅に簡素化されます。

GSP 用途におけるセルロース エーテルの明らかな利点にもかかわらず、スプレー時に乾燥塊が形成される可能性もあります。これらの濡れていない塊は、凝集またはケーキングとも呼ばれ、モルタルのレベリングや仕上げに悪影響を与える可能性があります。凝集により現場の効率が低下し、高性能石膏製品の用途のコストが増加する可能性があります。 GSP における塊の形成に対するセルロース エーテルの影響をより深く理解するために、塊の形成に影響を与える関連製品パラメータを特定する研究を実施しました。この研究結果をもとに、凝集傾向を低減したセルロースエーテル製品シリーズを開発し、実用化評価を行いました。

キーワード: セルロースエーテル；石膏マシンスプレー石膏;溶解速度;粒子の形態

1。導入

水溶性セルロースエーテルは、水需要を調整し、保水性を高め、モルタルのレオロジー特性を改善するために、石膏ベースの機械噴霧石膏（GSP）に使用することに成功しています。したがって、湿式モルタルの性能を向上させ、モルタルに必要な強度を確保することができます。ドライミックス GSP は、商業的に実行可能で環境に優しい特性があるため、過去 20 年間にわたってヨーロッパ全土で内装建材として広く使用されてきました。

ドライブレンド GSP を混合および噴霧するための機械は、数十年にわたって商業化に成功してきました。さまざまなメーカーの機器の技術的特徴は異なりますが、市販のすべての噴霧機では、水をセルロースエーテル含有石膏乾式混合モルタルと混合するための非常に限られた撹拌時間が可能です。一般に、混合プロセス全体にかかる時間はわずか数秒です。混合後、湿ったモルタルが送出ホースを通してポンプで送られ、下地壁にスプレーされます。プロセス全体は 1 分以内に完了します。ただし、セルロースエーテルの特性を用途で十分に発揮するには、このような短期間で完全に溶解する必要があります。細かく粉砕したセルロースエーテル製品を石膏モルタル配合物に添加すると、この噴霧プロセス中に完全に溶解します。

細かく粉砕されたセルロース エーテルは、噴霧器内での撹拌中に水と接触すると、すぐに粘度を高めます。セルロースエーテルの溶解によって引き起こされる急速な粘度の上昇は、石膏セメント質材料粒子の同時の水湿潤に関する問題を引き起こす。水が濃くなり始めると、水の流動性が低くなり、石膏粒子間の小さな孔に浸透できなくなります。細孔へのアクセスが遮断されると、水によるセメント質材料粒子の湿潤プロセスが遅れます。噴霧器での混合時間は石膏粒子を完全に濡らすのに必要な時間よりも短く、その結果、新鮮な湿ったモルタル中に乾燥粉末の塊が形成されました。この塊が形成されると、その後の工程で作業者の作業効率が妨げられます。塊のあるモルタルを平らにするのは非常に面倒で、時間もかかります。モルタルが固まった後でも、最初に形成された塊が現れることがあります。たとえば、建設中に内部の塊を覆うと、後の段階で見たくない暗い領域が出現することになります。

セルロースエーテルは長年にわたって GSP の添加剤として使用されてきましたが、濡れていない塊の形成に対するセルロースエーテルの影響はこれまであまり研究されていませんでした。この記事では、セルロース エーテルの観点から凝集の根本原因を理解するために使用できる体系的なアプローチを紹介します。

2. GSP で濡れていない塊が形成される理由

2.1 石膏ベースの絆創膏の湿潤

研究プログラムを確立する初期段階で、CSP での凝集塊の形成について考えられる根本原因がいくつかまとめられました。次に、コンピュータ支援分析を通じて、実用的な技術的解決策があるかどうかに問題が焦点を当てます。これらの作業を通じて、GSP における凝集体の形成に対する最適な解決策が事前に選別されました。技術的および商業的考慮の両方から、表面処理によって石膏粒子の濡れを変えるという技術的ルートは除外されます。商業的な観点から、既存の装置を水とモルタルの十分な混合を確保できる特別に設計された混合チャンバーを備えたスプレー装置に置き換えるという考えは除外されます。

別のオプションは、石膏プラスター配合物の添加剤として湿潤剤を使用することであり、これについてはすでに特許を取得しています。しかし、この添加剤の添加は石膏の加工性に悪影響を与えることは避けられません。さらに重要なことは、モルタルの物理的特性、特に硬度と強度が変化することです。したがって、あまり深くは掘り下げませんでした。また、湿潤剤の添加は環境に悪影響を与える可能性も考えられます。

セルロース エーテルがすでに石膏ベースの石膏配合物の一部であることを考慮すると、セルロース エーテル自体を最適化することが選択できる最良のソリューションになります。同時に、保水特性に影響を与えたり、使用中の石膏のレオロジー特性に悪影響を及ぼしたりしてはなりません。 GSP での非湿潤粉末の生成は、撹拌中に水と接触した後のセルロース エーテルの粘度の過度の急激な増加によるものであるという以前に提案された仮説に基づいて、セルロース エーテルの溶解特性を制御することが私たちの研究の主な目標となりました。 。

2.2 セルロースエーテルの溶解時間

セルロースエーテルの溶解速度を遅くする簡単な方法は、顆粒グレードの製品を使用することです。 GSP でこのアプローチを使用する主な欠点は、粒子が粗すぎると噴霧器の 10 秒という短い撹拌時間内では完全に溶解せず、保水力が失われることです。また、未溶解のセルロースエーテルが後段で膨潤すると、左官塗り後の増粘につながり、施工性能に影響を与えることも避けたいところです。

セルロースエーテルの溶解速度を低下させる別のオプションは、セルロースエーテルの表面をグリオキサールで可逆的に架橋することです。ただし、架橋反応は pH によって制御されるため、セルロース エーテルの溶解速度は周囲の水溶液の pH に大きく依存します。消石灰を配合したGSPシステムはpHが非常に高く、水に触れると表面のグリオキサールの架橋結合が急速に開き、瞬時に粘度が上昇し始めます。したがって、そのような化学処理は、GSP の溶解速度を制御する役割を果たすことができません。

セルロースエーテルの溶解時間は、その粒子の形態にも依存します。しかし、その効果は非常に大きいにもかかわらず、この事実はこれまであまり注目されていませんでした。一定の線形溶解速度 [kg/(m2•s)]、したがって、それらの溶解と粘度の増加は利用可能な表面に比例します。この速度は、セルロース粒子の形態の変化によって大幅に変化する可能性があります。私たちの計算では、5 秒間の撹拌混合後に完全な粘度 (100%) に達すると仮定しています。

さまざまな粒子形態の計算により、球形粒子の粘度は混合時間の半分で最終粘度の 35% になることがわかりました。同じ期間内に、棒状のセルロース エーテル粒子は 10% に達することしかできません。円盤状の粒子が溶け始めたところです。2.5秒。

GSP におけるセルロース エーテルの理想的な溶解度特性も含まれています。初期粘度の上昇を 4.5 秒以上遅らせます。その後、粘度は急速に増加し、撹拌混合時間５秒以内に最終粘度に達した。 GSP では、このような長い遅延溶解時間によりシステムの粘度が低くなり、追加された水が石膏粒子を完全に濡らし、乱れることなく粒子間の細孔に入ることができます。

3. セルロースエーテルの粒子形態

3.1 粒子形態の測定

セルロースエーテル粒子の形状は溶解度に大きな影響を与えるため、まずセルロースエーテル粒子の形状を表すパラメータを決定し、次に非湿潤性粒子の違いを特定する必要があります。凝集体の形成は特に関連するパラメータです。 。

動的画像解析技術によりセルロースエーテルの粒子形態を取得した。セルロースエーテルの粒子形態は、SYMPATEC デジタル画像分析装置 (ドイツ製) と特定のソフトウェア分析ツールを使用して完全に特徴付けることができます。最も重要な粒子形状パラメータは、LEFI(50,3) で表される繊維の平均長さと DIFI(50,3) で表される平均直径であることが判明しました。繊維の平均長さのデータは、ある広げられたセルロースエーテル粒子の全長であると考えられます。

通常、平均繊維直径 DIFI などの粒度分布データは、粒子の数 (0 で表示)、長さ (1 で表示)、面積 (2 で表示)、または体積 (3 で表示) に基づいて計算できます。このペーパーでのすべての粒子データ測定は体積に基づいているため、接尾辞 3 で示されています。たとえば、DIFI(50,3) の 3 は体積分布を意味し、50 は粒度分布曲線の 50% が表示値より小さく、残りの 50% が表示値より大きいことを意味します。セルロースエーテル粒子の形状データはマイクロメートル (µm) 単位で示されます。

3.2 粒子形態最適化後のセルロースエーテル

粒子表面の影響を考慮すると、棒状粒子形状のセルロースエーテル粒子の粒子溶解時間は平均繊維径 DIFI (50,3) に強く依存します。この仮定に基づいて、セルロースエーテルの開発作業は、粉末の溶解性を向上させるために、より大きな平均繊維直径 DIFI (50,3) を備えた製品を得ることを目的としていました。

しかしながら、平均繊維長DI​​FI(50,3)の増加は、平均粒子サイズの増加を伴うものではないと予想される。両方のパラメーターを一緒に大きくすると、粒子が大きすぎて機械スプレーの通常の 10 秒間の撹拌時間内に完全に溶解できなくなります。

したがって、理想的なヒドロキシエチルメチルセルロース (HEMC) は、平均繊維長 LEFI(50,3) を維持しながら、より大きな平均繊維直径 DIFI(50,3) を有する必要があります。新しいセルロースエーテル製造プロセスを使用して、改良された HEMC を製造します。この製造工程を経て得られる水溶性セルロースエーテルの粒子形状は、製造原料となるセルロースの粒子形状とは全く異なるものである。換言すれば、製造プロセスにより、セルロースエーテルの粒子形状設計がその製造原料に依存しないことが可能となる。

3 つの走査型電子顕微鏡画像: 標準プロセスで製造されたセルロース エーテルと、従来のプロセス ツール製品よりも DIFI(50,3) の直径が大きい新プロセスで製造されたセルロース エーテルの 1 枚。これら 2 つの製品の製造に使用される微粉砕セルロースの形態も示しています。

標準的なプロセスで製造されたセルロースとセルロースエーテルの電子顕微鏡写真を比較すると、両者が同様の形態学的特徴を持っていることが簡単にわかります。両方の画像に含まれる多数の粒子は、典型的には長くて薄い構造を示しており、化学反応が起こった後でも基本的な形態学的特徴が変化していないことを示唆しています。反応生成物の粒子形態特性が原料と高度に相関していることは明らかです。

新しいプロセスで製造されたセルロースエーテルの形態的特徴は大きく異なり、より大きな平均直径 DIFI (50,3) を持ち、主に丸く短くて厚い粒子形状を示すのに対し、典型的な薄くて長い粒子であることがわかりました。セルロース原料ではほぼ絶滅。

この図は、新しいプロセスで生成されるセルロースエーテルの粒子形態がセルロース原料の形態ともはや関連していないこと、すなわち原料の形態と最終製品との間に関連性が存在しないことを再度示しています。

4. GSP における濡れていない凝集塊の形成に対する HEMC 粒子の形態の影響

GSP は、動作メカニズムに関する仮説 (より大きな平均直径 DIFI (50,3) を持つセルロース エーテル製品を使用すると、不要な凝集が減少するという仮説) が正しかったことを検証するために、現場での適用条件下でテストされました。これらの実験では、平均直径 DIFI(50,3) が 37 μm ～ 52 μm の HEMC が使用されました。粒子の形態以外の要因の影響を最小限に抑えるために、石膏ベースと他のすべての添加剤は変更されませんでした。セルロースエーテルの粘度は、試験中一定に保たれた（６０，０００ｍＰａ．ｓ、２％水溶液、ＨＡＡＫＥレオメーターで測定）。

塗布試験では、市販の石膏噴霧器 (PFT G4) を噴霧に使用しました。石膏モルタルを壁に塗布した直後の、濡れていない塊の形成を評価することに重点を置きます。左官施工プロセス全体を通じてこの段階での凝集を評価することで、製品の性能の違いが最もよくわかります。テストでは、経験豊富な作業者が凝集状況を 1 が最高、6 が最低として評価しました。

テスト結果は、平均繊維直径 DIFI (50,3) と凝集性能スコアの間の相関関係を明確に示しています。大きな DIFI(50,3) を持つセルロース エーテル製品が小さな DIFI(50,3) 製品よりも優れているという仮説と一致して、52 μm の DIFI(50,3) の平均スコアは 2 (良好) でしたが、DIFI( 37μm と 40μm の 50,3) は 5 (失敗) でした。

予想どおり、GSP 用途における凝集挙動は、使用するセルロース エーテルの平均直径 DIFI(50,3) に大きく依存します。さらに、すべての形態学的パラメーターの中で DIFI(50,3) がセルロース エーテル粉末の溶解時間に強く影響することは、前の議論で述べられました。これは、粒子形態と高度に相関するセルロースエーテルの溶解時間が、最終的に GSP における凝集塊の形成に影響を与えることを裏付けています。 DIFI (50,3) が大きいほど、粉末の溶解時間が長くなり、凝集の可能性が大幅に減少します。ただし、粉末の溶解時間が長すぎると、噴霧装置の撹拌時間内にセルロースエーテルを完全に溶解することが困難になります。

より大きな平均繊維直径 DIFI(50,3) により最適化された溶解プロファイルを備えた新しい HEMC 製品は、石膏粉末の湿潤性が向上する (凝集評価で見られるように) だけでなく、石膏粉末の保水性能にも影響を与えません。製品。 EN 459-2 に従って測定された保水性は、DIFI(50,3) が 37 µm ～ 52 µm の同じ粘度の HEMC 製品と区別できませんでした。 5 分後と 60 分後のすべての測定値は、グラフに示されている必要な範囲内に収まります。

ただし、DIFI(50,3)が大きくなりすぎるとセルロースエーテル粒子が完全に溶解しなくなることも確認された。これは、59 µM 製品の DIFI(50,3) をテストしたときに見つかりました。 5 分後、特に 60 分後の保水性テストの結果は、必要な最低値を満たしていませんでした。

5. まとめ

セルロースエーテルは、GSP 配合における重要な添加剤です。ここでの研究および製品開発作業では、セルロース エーテルの粒子形態と、機械的にスプレーしたときの湿っていない塊 (いわゆる凝集) の形成との相関関係に注目しています。これは、セルロースエーテル粉末の溶解時間が水による石膏粉末の湿潤に影響を及ぼし、したがって塊の形成に影響を与えるという作用メカニズムの仮定に基づいています。

溶解時間はセルロースエーテルの粒子形態に依存し、デジタル画像解析ツールを使用して取得できます。 GSP では、DIFI (50,3) の大きな平均直径を持つセルロース エーテルが最適化された粉末溶解特性を備えており、水が石膏粒子を完全に濡らす時間を長くできるため、最適な抗凝集が可能になります。このタイプのセルロースエーテルは、新しい製造プロセスにより製造されており、その粒子形状は製造原料の本来の形状に依存しません。

平均繊維直径 DIFI (50,3) は凝集に非常に重要な影響を及ぼします。これは、現場でスプレーする市販の機械スプレー石膏ベースにこの製品を添加することによって検証されています。さらに、これらの野外噴霧試験は、我々の実験室結果を裏付けた。すなわち、大きなDIFI(50,3)を有する最も優れた性能のセルロースエーテル製品は、GSP撹拌の時間枠内で完全に溶解した。そのため、粒子形状を改良した上で最も固結防止性に優れたセルロースエーテル製品は、本来の保水性能を維持しています。