Cellulose-ether in producten op cementbasis

Cellulose-ether is een soort multifunctioneel additief dat in cementproducten kan worden gebruikt. Dit artikel introduceert de chemische eigenschappen van methylcellulose (MC) en hydroxypropylmethylcellulose (HPMC /) die vaak worden gebruikt in cementproducten, de methode en het principe van de netto-oplossing en de belangrijkste kenmerken van de oplossing. De afname van de temperatuur en viscositeit van de thermische gel in cementproducten werd besproken op basis van praktische productie-ervaring.

Trefwoorden:cellulose-ether; Methylcellulose;Hydroxypropylmethylcellulose; Hete geltemperatuur; viscositeit

1. Overzicht

Cellulose-ether (kortweg CE) wordt gemaakt van cellulose door een veretheringsreactie van een of meer veretheringsmiddelen en droog malen. CE kan worden onderverdeeld in ionische en niet-ionische typen, waaronder het niet-ionische type CE vanwege zijn unieke thermische geleigenschappen en oplosbaarheid, zoutbestendigheid, hittebestendigheid en de juiste oppervlakteactiviteit. Het kan worden gebruikt als watervasthoudend middel, suspendeermiddel, emulgator, filmvormend middel, smeermiddel, lijm en reologische verbeteraar. De belangrijkste buitenlandse consumptiegebieden zijn latexcoatings, bouwmaterialen, olieboringen, enzovoort. Vergeleken met het buitenland staat de productie en toepassing van wateroplosbaar CE nog in de kinderschoenen. Met de verbetering van de gezondheid van mensen en het milieubewustzijn. In water oplosbaar CE, dat onschadelijk is voor de fysiologie en het milieu niet vervuilt, zal een grote ontwikkeling doormaken.

Op het gebied van bouwmaterialen wordt CE meestal gekozen als methylcellulose (MC) en hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), kan worden gebruikt als verf-, gips-, mortel- en cementproducten, weekmaker, viscositeitsverhoger, waterretentiemiddel, luchtbelvormer en vertragingsmiddel. Het grootste deel van de bouwmaterialenindustrie wordt gebruikt bij normale temperaturen, waarbij gebruik wordt gemaakt van droge mixpoeder en water, waarbij minder de oplossingseigenschappen en hete gel-eigenschappen van CE betrokken zijn, maar bij de gemechaniseerde productie van cementproducten en andere speciale temperatuuromstandigheden zijn deze kenmerken van CE zal een grotere rol spelen.

2. Chemische eigenschappen van CE

CE wordt verkregen door cellulose te behandelen via een reeks chemische en fysische methoden. Volgens de verschillende chemische substitutiestructuren kan deze meestal worden onderverdeeld in: MC, HPMC, hydroxyethylcellulose (HEC), enz.: Elke CE heeft de basisstructuur van cellulose: gedehydrateerde glucose. Bij de productie van CE worden cellulosevezels eerst verwarmd in een alkalische oplossing en vervolgens behandeld met veretherende middelen. De vezelachtige reactieproducten worden gezuiverd en verpulverd om een ​​uniform poeder van een bepaalde fijnheid te vormen.

Bij het productieproces van MC wordt uitsluitend methaanchloride als veretheringsmiddel gebruikt. Naast het gebruik van methaanchloride wordt bij de productie van HPMC ook propyleenoxide gebruikt om hydroxypropylsubstituentgroepen te verkrijgen. Diverse CE hebben verschillende methyl- en hydroxypropylsubstitutiesnelheden, wat de organische compatibiliteit en thermische geltemperatuur van de CE-oplossing beïnvloedt.

Het aantal substitutiegroepen op de gedehydrateerde glucosestructuureenheden van cellulose kan worden uitgedrukt als het massapercentage of het gemiddelde aantal substitutiegroepen (dat wil zeggen DS: mate van substitutie). Het aantal substituentgroepen bepaalt de eigenschappen van CE-producten. Het effect van de gemiddelde substitutiegraad op de oplosbaarheid van veretheringsproducten is als volgt:

(1) lage substitutiegraad oplosbaar in loog;

(2) enigszins hoge substitutiegraad oplosbaar in water;

(3) hoge substitutiegraad opgelost in polaire organische oplosmiddelen;

(4) Hogere substitutiegraad opgelost in niet-polaire organische oplosmiddelen.

3. Ontbindingsmethode van CE

CE heeft een unieke oplosbaarheidseigenschap: wanneer de temperatuur tot een bepaalde temperatuur stijgt, is het onoplosbaar in water, maar onder deze temperatuur zal de oplosbaarheid ervan toenemen naarmate de temperatuur daalt. CE is oplosbaar in koud water (en in sommige gevallen in specifieke organische oplosmiddelen) via het proces van zwelling en hydratatie. CE-oplossingen hebben niet de duidelijke oplosbaarheidsbeperkingen die optreden bij het oplossen van ionische zouten. De CE-concentratie is over het algemeen beperkt tot de viscositeit die kan worden gecontroleerd door de productieapparatuur, en varieert ook afhankelijk van de viscositeit en chemische verscheidenheid die door de gebruiker wordt vereist. De oplossingsconcentratie van CE met lage viscositeit is over het algemeen 10% ~ 15%, en CE met hoge viscositeit is over het algemeen beperkt tot 2% ~ 3%. Verschillende soorten CE (zoals poeder, oppervlaktebehandeld poeder of korrelig) kunnen invloed hebben op de manier waarop de oplossing wordt bereid.

3.1 CE zonder oppervlaktebehandeling

Hoewel CE oplosbaar is in koud water, moet het volledig in water worden gedispergeerd om klonteren te voorkomen. In sommige gevallen kan een hogesnelheidsmixer of trechter in koud water worden gebruikt om CE-poeder te dispergeren. Als het onbehandelde poeder echter zonder voldoende roeren rechtstreeks aan koud water wordt toegevoegd, zullen er aanzienlijke klonten ontstaan. De belangrijkste reden voor aankoeken is dat de CE-poederdeeltjes niet volledig nat zijn. Wanneer slechts een deel van het poeder is opgelost, wordt er een gelfilm gevormd, die voorkomt dat het resterende poeder verder oplost. Daarom moeten de CE-deeltjes vóór het oplossen zo volledig mogelijk worden gedispergeerd. De volgende twee dispersiemethoden worden vaak gebruikt.

3.1.1 Droge mix-dispersiemethode

Deze methode wordt het meest gebruikt in cementproducten. Voordat u water toevoegt, mengt u het andere poeder gelijkmatig met CE-poeder, zodat CE-poederdeeltjes worden verspreid. Minimale mengverhouding: Ander poeder: CE-poeder =(3 ~ 7) : 1.

Bij deze methode wordt CE-dispersie in droge toestand voltooid, waarbij ander poeder als medium wordt gebruikt om CE-deeltjes met elkaar te dispergeren, om de onderlinge binding van CE-deeltjes bij het toevoegen van water te voorkomen en de verdere oplossing te beïnvloeden. Daarom is er geen heet water nodig voor het dispergeren, maar de oplossnelheid hangt af van de poederdeeltjes en de roeromstandigheden.

3.1.2 Heetwaterverspreidingsmethode

(1) De eerste 1/5 ~ 1/3 van de vereiste waterverwarming tot 90 ° C hierboven, voeg CE toe en roer vervolgens totdat alle deeltjes nat zijn verspreid, en vervolgens wordt het resterende water in koud of ijswater toegevoegd om de temperatuur van de oplossing, zodra de CE-oplostemperatuur was bereikt, begon het poeder te hydrateren en nam de viscositeit toe.

(2) Je kunt ook al het water verwarmen en dan CE toevoegen om te roeren terwijl je afkoelt totdat de hydratatie voltooid is. Voldoende koeling is van groot belang voor volledige hydratatie van CE en de vorming van viscositeit. Voor een ideale viscositeit moet de MC-oplossing worden gekoeld tot 0~5℃, terwijl HPMC alleen hoeft te worden gekoeld tot 20~25℃ of lager. Omdat volledige hydratatie voldoende koeling vereist, worden HPMC-oplossingen vaak gebruikt waar koud water niet kan worden gebruikt: volgens de informatie heeft HPMC minder temperatuurverlaging dan MC bij lagere temperaturen om dezelfde viscositeit te bereiken. Het is vermeldenswaard dat de heetwaterdispersiemethode ervoor zorgt dat CE-deeltjes alleen gelijkmatig verspreiden bij een hogere temperatuur, maar dat er op dit moment geen oplossing wordt gevormd. Om een ​​oplossing met een bepaalde viscositeit te verkrijgen, moet deze opnieuw worden gekoeld.

3.2 Oppervlaktebehandeld dispergeerbaar CE-poeder

In veel gevallen is van CE vereist dat het zowel dispergeerbare als snelle hydratatie-eigenschappen (viscositeitvorming) in koud water heeft. Oppervlaktebehandeld CE is tijdelijk onoplosbaar in koud water na een speciale chemische behandeling, die ervoor zorgt dat wanneer CE aan water wordt toegevoegd, het niet onmiddellijk een voor de hand liggende viscositeit zal vormen en kan worden gedispergeerd onder relatief kleine schuifkrachtomstandigheden. De “vertragingstijd” van hydratatie of viscositeitsvorming is het resultaat van de combinatie van de mate van oppervlaktebehandeling, temperatuur, pH van het systeem en concentratie van de CE-oplossing. De vertraging van de hydratatie wordt over het algemeen verminderd bij hogere concentraties, temperaturen en pH-niveaus. Over het algemeen wordt er echter pas rekening gehouden met de CE-concentratie als deze 5% bereikt (de massaverhouding van water).

Voor de beste resultaten en volledige hydratatie moet het behandelde CE enkele minuten onder neutrale omstandigheden worden geroerd, met een pH-bereik van 8,5 tot 9,0, totdat de maximale viscositeit is bereikt (meestal 10-30 minuten). Zodra de pH verandert naar basisch (pH 8,5 tot 9,0), lost het behandelde CE volledig en snel op, en kan de oplossing stabiel zijn bij pH 3 tot 11. Het is echter belangrijk op te merken dat het aanpassen van de pH van een slurry met hoge concentratie zal ervoor zorgen dat de viscositeit te hoog is voor pompen en gieten. De pH moet worden aangepast nadat de slurry is verdund tot de gewenste concentratie.

Samenvattend omvat het oplossingsproces van CE twee processen: fysieke dispersie en chemische oplossing. De sleutel is om CE-deeltjes vóór het oplossen met elkaar te verspreiden, om agglomeratie als gevolg van de hoge viscositeit tijdens het oplossen bij lage temperaturen te voorkomen, wat de verdere oplossing zal beïnvloeden.

4. Eigenschappen van CE-oplossing

Verschillende soorten CE-waterige oplossingen zullen geleren bij hun specifieke temperaturen. De gel is volledig omkeerbaar en vormt bij opnieuw afkoelen een oplossing. De omkeerbare thermische gelering van CE is uniek. In veel cementproducten heeft het belangrijkste gebruik van de viscositeit van CE en de overeenkomstige waterretentie- en smeringseigenschappen, en de viscositeit en geltemperatuur een directe relatie, onder de geltemperatuur, hoe lager de temperatuur, hoe hoger de viscositeit van CE, hoe beter de overeenkomstige waterretentieprestaties.

De huidige verklaring voor het gelfenomeen is deze: tijdens het oplossingsproces is dit vergelijkbaar

De polymeermoleculen van de draad verbinden zich met de watermoleculaire laag, waardoor zwelling ontstaat. Watermoleculen werken als smeerolie, die lange ketens van polymeermoleculen uit elkaar kunnen trekken, zodat de oplossing de eigenschappen heeft van een stroperige vloeistof die gemakkelijk te dumpen is. Wanneer de temperatuur van de oplossing stijgt, verliest het cellulosepolymeer geleidelijk water en neemt de viscositeit van de oplossing af. Wanneer het gelpunt wordt bereikt, raakt het polymeer volledig gedehydrateerd, wat resulteert in de koppeling tussen de polymeren en de vorming van de gel: de sterkte van de gel blijft toenemen naarmate de temperatuur boven het gelpunt blijft.

Naarmate de oplossing afkoelt, begint de gel om te keren en neemt de viscositeit af. Ten slotte keert de viscositeit van de koeloplossing terug naar de aanvankelijke temperatuurstijgingscurve en neemt toe met de afname van de temperatuur. De oplossing kan worden afgekoeld tot de initiële viscositeitswaarde. Daarom is het thermische gelproces van CE omkeerbaar.

De belangrijkste rol van CE in cementproducten is als viscositeitsverhoger, weekmaker en waterretentiemiddel, dus het regelen van de viscositeit en geltemperatuur is een belangrijke factor geworden in cementproducten, waarbij meestal het initiële geltemperatuurpunt onder een deel van de curve wordt gebruikt. dus hoe lager de temperatuur, hoe hoger de viscositeit, des te duidelijker het effect van het vasthouden van water door de viscositeitsverhogende stof. De testresultaten van de productielijn voor extrusiecementplaten laten ook zien dat hoe lager de materiaaltemperatuur onder hetzelfde CE-gehalte ligt, hoe beter het viscosificatie- en waterretentie-effect is. Omdat cementsystemen een uiterst complex fysisch en chemisch eigenschappensysteem zijn, zijn er veel factoren die de verandering van de CE-geltemperatuur en -viscositeit beïnvloeden. En de invloed van verschillende Taianin-trends en -graden is niet hetzelfde, dus uit de praktische toepassing bleek ook dat na het mengen van het cementsysteem het werkelijke geltemperatuurpunt van CE (dat wil zeggen dat het lijm- en waterretentie-effect bij deze temperatuur zeer duidelijk afneemt) ) zijn lager dan de door het product aangegeven geltemperatuur. Daarom moet bij de selectie van CE-producten rekening worden gehouden met de factoren die de daling van de geltemperatuur veroorzaken. Hieronder volgen de belangrijkste factoren waarvan wij denken dat ze de viscositeit en geltemperatuur van CE-oplossingen in cementproducten beïnvloeden.

4.1 Invloed van de pH-waarde op de viscositeit

MC en HPMC zijn niet-ionisch, dus de viscositeit van de oplossing heeft een breder bereik van DH-stabiliteit dan de viscositeit van natuurlijke ionische lijm, maar als de pH-waarde het bereik van 3 ~ 11 overschrijdt, zullen ze de viscositeit geleidelijk verlagen bij een hogere temperatuur of gedurende langere tijd opgeslagen, vooral oplossing met hoge viscositeit. De viscositeit van de CE-productoplossing neemt af in sterk zure of sterke base-oplossingen, wat voornamelijk te wijten is aan de dehydratatie van CE veroorzaakt door base en zuur. Daarom neemt de viscositeit van CE gewoonlijk tot op zekere hoogte af in de alkalische omgeving van cementproducten.

4.2 Invloed van verwarmingssnelheid en roeren op het gelproces

De temperatuur van het gelpunt zal worden beïnvloed door het gecombineerde effect van de verwarmingssnelheid en de afschuifsnelheid van het roeren. Roeren met hoge snelheid en snelle verwarming zullen in het algemeen de geltemperatuur aanzienlijk verhogen, wat gunstig is voor cementproducten die door mechanisch mengen worden gevormd.

4.3 Invloed van concentratie op hete gel

Het verhogen van de concentratie van de oplossing verlaagt gewoonlijk de geltemperatuur, en de gelpunten van CE met lage viscositeit zijn hoger dan die van CE met hoge viscositeit. Zoals METHOCEL A van DOW

De geltemperatuur wordt met 10℃ verlaagd voor elke 2% toename van de concentratie van het product. Een toename van 2% in de concentratie van F-type producten zal de geltemperatuur met 4℃ verlagen.

4.4 Invloed van additieven op thermische gelering

Op het gebied van bouwmaterialen zijn veel materialen anorganische zouten, die een aanzienlijke invloed zullen hebben op de geltemperatuur van de CE-oplossing. Afhankelijk van of het additief als coagulatiemiddel of oplosbaarmakend middel werkt, kunnen sommige additieven de thermische geltemperatuur van CE verhogen, terwijl andere de thermische geltemperatuur van CE kunnen verlagen: bijvoorbeeld oplosmiddelverhogende ethanol, PEG-400 (polyethyleenglycol) , anediol, enz., kunnen het gelpunt verhogen. Zouten, glycerine, sorbitol en andere stoffen zullen het gelpunt verlagen, niet-ionisch CE zal over het algemeen niet worden neergeslagen vanwege polyvalente metaalionen, maar wanneer de elektrolytconcentratie of andere opgeloste stoffen een bepaalde limiet overschrijden, kunnen CE-producten worden uitgezouten in oplossing, dit komt door de concurrentie van elektrolyten met water, wat resulteert in de vermindering van de hydratatie van CE. Het zoutgehalte van de oplossing van het CE-product is over het algemeen iets hoger dan dat van het Mc-product, en het zoutgehalte is iets anders in verschillende HPMC's.

Veel ingrediënten in cementproducten zorgen ervoor dat het gelpunt van CE daalt, dus bij de selectie van additieven moet er rekening mee worden gehouden dat dit het gelpunt en de viscositeit van CE kan veranderen.

5. Conclusie

(1) Cellulose-ether is natuurlijke cellulose door middel van een veretheringsreactie, heeft de structurele basiseenheid van gedehydrateerde glucose, afhankelijk van het type en aantal substituentgroepen op zijn vervangingspositie, en heeft verschillende eigenschappen. De niet-ionische ether zoals MC en HPMC kan worden gebruikt als viscositeitsverhoger, waterretentiemiddel, luchtmeevoermiddel en andere veelgebruikte materialen in bouwmaterialen.

(2) CE heeft een unieke oplosbaarheid, vormt een oplossing bij een bepaalde temperatuur (zoals de geltemperatuur) en vormt een vaste gel of een mengsel van vaste deeltjes bij de geltemperatuur. De belangrijkste oplossingsmethoden zijn de droge mengdispersiemethode, de heetwaterdispersiemethode, enz., In cementproducten die gewoonlijk worden gebruikt, is de droge mengdispersiemethode. De sleutel is om CE gelijkmatig te verspreiden voordat het oplost en bij lage temperaturen een oplossing vormt.

(3) Oplossingsconcentratie, temperatuur, pH-waarde, chemische eigenschappen van additieven en roersnelheid zullen de geltemperatuur en viscositeit van CE-oplossing beïnvloeden, vooral cementproducten zijn anorganische zoutoplossingen in een alkalische omgeving, verminderen meestal de geltemperatuur en viscositeit van CE-oplossing , met nadelige gevolgen. Daarom moet het, volgens de kenmerken van CE, ten eerste worden gebruikt bij een lage temperatuur (onder de geltemperatuur), en ten tweede moet rekening worden gehouden met de invloed van additieven.