Ontwikkeling van nieuwe HEMC-cellulose-ethers om agglomeratie in machinaal gespoten pleisters op gipsbasis te verminderen

Ontwikkeling van nieuwe HEMC-cellulose-ethers om agglomeratie in machinaal gespoten pleisters op gipsbasis te verminderen

Machinaal gespoten gips op gipsbasis (GSP) wordt sinds de jaren zeventig op grote schaal gebruikt in West-Europa. De opkomst van mechanisch spuiten heeft de efficiëntie van de pleisterconstructie effectief verbeterd en tegelijkertijd de bouwkosten verlaagd. Met de verdieping van de commercialisering van GSP is in water oplosbare cellulose-ether een belangrijk additief geworden. Cellulose-ether geeft GSP een goede waterretentie, waardoor de vochtopname door de ondergrond in de pleister wordt beperkt, waardoor een stabiele uithardingstijd en goede mechanische eigenschappen worden verkregen. Bovendien kan de specifieke reologische curve van cellulose-ether het effect van machinaal spuiten verbeteren en de daaropvolgende egalisatie- en afwerkingsprocessen van de mortel aanzienlijk vereenvoudigen.

Ondanks de voor de hand liggende voordelen van cellulose-ethers in GSP-toepassingen, kan het potentieel ook bijdragen aan de vorming van droge klonten tijdens het spuiten. Deze niet-bevochtigde klonten worden ook wel klonteren of aankoeken genoemd en kunnen de egalisatie en afwerking van de mortel negatief beïnvloeden. Agglomeratie kan de efficiëntie van de locatie verminderen en de kosten van hoogwaardige gipsproducttoepassingen verhogen. Om het effect van cellulose-ethers op de vorming van klonten in SAP beter te begrijpen, hebben we een onderzoek uitgevoerd om te proberen de relevante productparameters te identificeren die de vorming ervan beïnvloeden. Op basis van de resultaten van dit onderzoek hebben we een reeks cellulose-etherproducten met een verminderde neiging tot agglomeratie ontwikkeld en deze in praktische toepassingen geëvalueerd.

Trefwoorden: cellulose-ether; gips machine spuitpleister; oplossingspercentage; deeltjesmorfologie

1. Invoering

In water oplosbare cellulose-ethers zijn met succes gebruikt in machinaal gespoten pleisters op gipsbasis (GSP) om de waterbehoefte te reguleren, de waterretentie te verbeteren en de reologische eigenschappen van mortels te verbeteren. Daarom helpt het de prestaties van de natte mortel te verbeteren, waardoor de vereiste sterkte van de mortel wordt gegarandeerd. Vanwege de commercieel levensvatbare en milieuvriendelijke eigenschappen is dry mix GSP de afgelopen 20 jaar in heel Europa een veelgebruikt bouwmateriaal voor interieurs geworden.

Machines voor het mengen en spuiten van droge mengsels van GSP worden al tientallen jaren met succes op de markt gebracht. Hoewel sommige technische kenmerken van apparatuur van verschillende fabrikanten variëren, bieden alle in de handel verkrijgbare spuitmachines een zeer beperkte roertijd om water te laten mengen met cellulose-etherhoudende gipsmortel. Over het algemeen duurt het hele mengproces slechts enkele seconden. Na het mengen wordt de natte mortel door de aanvoerslang gepompt en op de substraatwand gespoten. Het hele proces is binnen een minuut voltooid. In zo'n korte tijd moeten cellulose-ethers echter volledig worden opgelost om hun eigenschappen in de toepassing volledig te kunnen ontwikkelen. Het toevoegen van fijngemalen cellulose-etherproducten aan gipsmortelformuleringen zorgt voor volledige oplossing tijdens dit spuitproces.

De fijngemalen cellulose-ether bouwt snel consistentie op bij contact met water tijdens het roeren in de sproeier. De snelle viscositeitsstijging veroorzaakt door het oplossen van de cellulose-ether veroorzaakt problemen bij de gelijktijdige waterbevochtiging van de gips-cementachtige materiaaldeeltjes. Naarmate het water dikker wordt, wordt het minder vloeibaar en kan het niet doordringen in de kleine poriën tussen de gipsdeeltjes. Nadat de toegang tot de poriën is geblokkeerd, wordt het bevochtigingsproces van de cementachtige materiaaldeeltjes door water vertraagd. De mengtijd in de spuit was korter dan de tijd die nodig was om de gipsdeeltjes volledig te bevochtigen, wat resulteerde in de vorming van droge poederklonten in de verse natte mortel. Zodra deze klonten zijn gevormd, belemmeren ze de efficiëntie van de werknemers in de daaropvolgende processen: het egaliseren van mortel met klonten is erg lastig en kost meer tijd. Zelfs nadat de mortel is uitgehard, kunnen aanvankelijk gevormde klonten verschijnen. Het afdekken van de klonten binnenin tijdens de bouw zal er bijvoorbeeld toe leiden dat er in een later stadium donkere plekken ontstaan, die we niet willen zien.

Hoewel cellulose-ethers al vele jaren als additieven in GSP worden gebruikt, is hun effect op de vorming van niet-bevochtigde klonten tot nu toe niet veel onderzocht. Dit artikel presenteert een systematische aanpak die kan worden gebruikt om de hoofdoorzaak van agglomeratie te begrijpen vanuit het perspectief van cellulose-ether.

2. Redenen voor de vorming van niet-bevochtigde klonten in GSP

2.1 Bevochtiging van pleisters op gipsbasis

In de vroege stadia van het opzetten van het onderzoeksprogramma werden een aantal mogelijke grondoorzaken voor de vorming van klonten in het CSP verzameld. Vervolgens wordt het probleem via computerondersteunde analyse gericht op de vraag of er een praktische technische oplossing bestaat. Door deze werkzaamheden werd voorlopig de optimale oplossing voor de vorming van agglomeraten in GSP uitgefilterd. Uit zowel technische als commerciële overwegingen is de technische route van het veranderen van de bevochtiging van gipsdeeltjes door oppervlaktebehandeling uitgesloten. Vanuit commercieel oogpunt is het idee om de bestaande apparatuur te vervangen door een spuitapparatuur met een speciaal ontworpen mengkamer die voor voldoende menging van water en mortel kan zorgen uitgesloten.

Een andere optie is het gebruik van bevochtigingsmiddelen als additief in gipspleisterformuleringen en daar hebben we al een patent voor gevonden. De toevoeging van dit additief heeft echter onvermijdelijk een negatieve invloed op de verwerkbaarheid van de pleister. Belangrijker nog is dat het de fysieke eigenschappen van de mortel verandert, vooral de hardheid en sterkte. We zijn er dus niet te diep op ingegaan. Daarnaast wordt ook gedacht dat de toevoeging van bevochtigingsmiddelen mogelijk een nadelige impact heeft op het milieu.

Aangezien cellulose-ether al deel uitmaakt van de gipsgebaseerde pleisterformulering, wordt het optimaliseren van cellulose-ether zelf de beste oplossing die kan worden gekozen. Tegelijkertijd mag het de waterretentie-eigenschappen of de reologische eigenschappen van de gebruikte pleister niet negatief beïnvloeden. Gebaseerd op de eerder voorgestelde hypothese dat de vorming van niet-bevochtigde poeders in GSP te wijten is aan de buitensporig snelle toename van de viscositeit van cellulose-ethers na contact met water tijdens roeren, werd het beheersen van de oploskarakteristieken van cellulose-ethers het belangrijkste doel van onze studie .

2.2 Oplostijd van cellulose-ether

Een gemakkelijke manier om de oplossnelheid van cellulose-ethers te vertragen is door producten van korrelkwaliteit te gebruiken. Het belangrijkste nadeel van het gebruik van deze aanpak bij GSP is dat te grove deeltjes niet volledig oplossen binnen het korte roervenster van 10 seconden in de spuitmachine, wat leidt tot verlies van waterretentie. Bovendien zal het opzwellen van onopgeloste cellulose-ether in een later stadium leiden tot verdikking na het bepleisteren en de constructieprestaties beïnvloeden, wat we niet willen zien.

Een andere optie om de oplossnelheid van cellulose-ethers te verminderen is om het oppervlak van cellulose-ethers reversibel te vernetten met glyoxal. Omdat de verknopingsreactie echter pH-gecontroleerd is, is de oplossnelheid van cellulose-ethers sterk afhankelijk van de pH van de omringende waterige oplossing. De pH-waarde van het GSP-systeem gemengd met gebluste kalk is zeer hoog en de verknopende bindingen van glyoxal op het oppervlak worden snel geopend na contact met water, en de viscositeit begint onmiddellijk te stijgen. Daarom kunnen dergelijke chemische behandelingen geen rol spelen bij het beheersen van de oplossnelheid in GSP.

De oplostijd van cellulose-ethers hangt ook af van hun deeltjesmorfologie. Dit feit heeft tot nu toe echter niet veel aandacht gekregen, hoewel het effect zeer aanzienlijk is. Ze hebben een constante lineaire oplossnelheid [kg/(m2•s)], dus hun oplossing en viscositeitsopbouw zijn evenredig met het beschikbare oppervlak. Deze snelheid kan aanzienlijk variëren met veranderingen in de morfologie van de cellulosedeeltjes. In onze berekeningen wordt ervan uitgegaan dat de volledige viscositeit (100%) wordt bereikt na 5 seconden roeren en mengen.

Berekeningen van verschillende deeltjesmorfologieën toonden aan dat bolvormige deeltjes een viscositeit hadden van 35% van de uiteindelijke viscositeit bij de helft van de mengtijd. In dezelfde periode kunnen staafvormige cellulose-etherdeeltjes slechts 10% bereiken. De schijfvormige deeltjes begonnen daarna net op te lossen2,5 seconden.

Ook inbegrepen zijn ideale oplosbaarheidskenmerken voor cellulose-ethers in GSP. Vertraag de opbouw van de initiële viscositeit gedurende meer dan 4,5 seconden. Daarna nam de viscositeit snel toe om de uiteindelijke viscositeit binnen 5 seconden na het roeren van de mengtijd te bereiken. Bij GSP zorgt een dergelijke lange vertraagde oplostijd ervoor dat het systeem een ​​lage viscositeit heeft, en dat het toegevoegde water de gipsdeeltjes volledig kan bevochtigen en zonder verstoring in de poriën tussen de deeltjes kan binnendringen.

3. Deeltjesmorfologie van cellulose-ether

3.1 Meting van deeltjesmorfologie

Omdat de vorm van cellulose-etherdeeltjes zo'n significante invloed heeft op de oplosbaarheid, is het eerst nodig om de parameters te bepalen die de vorm van cellulose-etherdeeltjes beschrijven, en vervolgens om de verschillen tussen niet-bevochtigende deeltjes te identificeren. De vorming van agglomeraten is een bijzonder relevante parameter .

We verkregen de deeltjesmorfologie van cellulose-ether door middel van dynamische beeldanalysetechniek. De deeltjesmorfologie van cellulose-ethers kan volledig worden gekarakteriseerd met behulp van een SYMPATEC digitale beeldanalysator (gemaakt in Duitsland) en specifieke software-analysetools. De belangrijkste deeltjesvormparameters bleken de gemiddelde lengte van de vezels te zijn, uitgedrukt als LEFI(50,3) en de gemiddelde diameter uitgedrukt als DIFI(50,3). Gegevens over de gemiddelde vezellengte worden beschouwd als de volledige lengte van een bepaald verspreid cellulose-etherdeeltje.

Gewoonlijk kunnen gegevens over de deeltjesgrootteverdeling, zoals de gemiddelde vezeldiameter DIFI, worden berekend op basis van het aantal deeltjes (aangegeven met 0), lengte (aangegeven met 1), oppervlakte (aangegeven met 2) of volume (aangegeven met 3). Alle deeltjesgegevensmetingen in dit artikel zijn gebaseerd op volume en worden daarom aangegeven met een 3-achtervoegsel. In DIFI(50,3) betekent 3 bijvoorbeeld de volumeverdeling, en 50 betekent dat 50% van de deeltjesgrootteverdelingscurve kleiner is dan de aangegeven waarde, en de overige 50% groter is dan de aangegeven waarde. Gegevens over de vorm van cellulose-etherdeeltjes worden gegeven in micrometers (μm).

3.2 Cellulose-ether na optimalisatie van de deeltjesmorfologie

Rekening houdend met het effect van het deeltjesoppervlak, hangt de deeltjesoplostijd van cellulose-etherdeeltjes met een staafvormige deeltjesvorm sterk af van de gemiddelde vezeldiameter DIFI (50,3). Op basis van deze veronderstelling was het ontwikkelingswerk aan cellulose-ethers gericht op het verkrijgen van producten met een grotere gemiddelde vezeldiameter DIFI (50,3) om de oplosbaarheid van het poeder te verbeteren.

Er wordt echter niet verwacht dat een toename van de gemiddelde vezellengte DIFI(50,3) gepaard zal gaan met een toename van de gemiddelde deeltjesgrootte. Het samen verhogen van beide parameters zal resulteren in deeltjes die te groot zijn om volledig op te lossen binnen de typische roertijd van 10 seconden bij mechanisch spuiten.

Daarom zou een ideale hydroxyethylmethylcellulose (HEMC) een grotere gemiddelde vezeldiameter DIFI(50,3) moeten hebben, terwijl de gemiddelde vezellengte LEFI(50,3) behouden blijft. We gebruiken een nieuw productieproces voor cellulose-ether om een ​​verbeterde HEMC te produceren. De deeltjesvorm van de wateroplosbare cellulose-ether die via dit productieproces wordt verkregen, is geheel anders dan de deeltjesvorm van de cellulose die als grondstof voor de productie wordt gebruikt. Met andere woorden: het productieproces maakt het mogelijk dat het deeltjesvormontwerp van cellulose-ether onafhankelijk is van de productiegrondstoffen.

Drie scanning-elektronenmicroscoopafbeeldingen: één van cellulose-ether geproduceerd volgens het standaardproces, en één van cellulose-ether geproduceerd volgens het nieuwe proces met een grotere diameter van DIFI(50,3) dan conventionele procesgereedschapsproducten. Ook wordt de morfologie getoond van de fijngemalen cellulose die wordt gebruikt bij de productie van deze twee producten.

Als we de elektronenmicrofoto's van cellulose en cellulose-ether vergelijken die met het standaardproces worden geproduceerd, is het gemakkelijk om te ontdekken dat de twee vergelijkbare morfologische kenmerken hebben. Het grote aantal deeltjes in beide afbeeldingen vertoont typisch lange, dunne structuren, wat erop wijst dat de fundamentele morfologische kenmerken niet zijn veranderd, zelfs niet nadat de chemische reactie heeft plaatsgevonden. Het is duidelijk dat de deeltjesmorfologische kenmerken van de reactieproducten sterk gecorreleerd zijn met de grondstoffen.

Er werd vastgesteld dat de morfologische kenmerken van de cellulose-ether geproduceerd door het nieuwe proces significant verschillend zijn; het heeft een DIFI met een grotere gemiddelde diameter (50,3), en vertoont hoofdzakelijk ronde, korte en dikke deeltjesvormen, terwijl de typische dunne en lange deeltjes in cellulosegrondstoffen Bijna uitgestorven.

Deze figuur laat opnieuw zien dat de deeltjesmorfologie van de cellulose-ethers die door het nieuwe proces worden geproduceerd, niet langer gerelateerd is aan de morfologie van de cellulosegrondstof – het verband tussen de morfologie van de grondstof en het eindproduct bestaat niet meer.

4. Effect van HEMC-deeltjesmorfologie op de vorming van niet-bevochtigde klonten in GSP

GSP werd getest onder toepassingsomstandigheden in het veld om te verifiëren dat onze hypothese over het werkingsmechanisme (dat het gebruik van een cellulose-etherproduct met een DIFI met een grotere gemiddelde diameter (50,3) ongewenste agglomeratie zou verminderen) correct was. Bij deze experimenten werden HEMC's met een gemiddelde DIFI(50,3)-diameter variërend van 37 µm tot 52 µm gebruikt. Om de invloed van andere factoren dan de deeltjesmorfologie te minimaliseren, werden de gipspleisterbasis en alle andere additieven onveranderd gelaten. De viscositeit van de cellulose-ether werd tijdens de test constant gehouden (60.000 mPa.s, 2% waterige oplossing, gemeten met een HAAKE-reometer).

Voor het spuiten in de toepassingsproeven werd een in de handel verkrijgbare gipsspuit (PFT G4) gebruikt. Concentreer u op het evalueren van de vorming van niet-bevochtigde klonten gipsmortel onmiddellijk nadat deze op de muur is aangebracht. Beoordeling van klontering in dit stadium tijdens het aanbrengen van pleisterwerk zal de verschillen in productprestaties het beste aan het licht brengen. In de test beoordeelden ervaren werknemers de klontsituatie, waarbij 1 de beste en 6 de slechtste was.

De testresultaten laten duidelijk de correlatie zien tussen de gemiddelde vezeldiameter DIFI (50,3) en de klonterprestatiescore. In overeenstemming met onze hypothese dat cellulose-etherproducten met grotere DIFI(50,3) beter presteerden dan kleinere DIFI(50,3)-producten, was de gemiddelde score voor DIFI(50,3) van 52 µm 2 (goed), terwijl die met DIFI( 50,3) van 37 µm en 40 µm scoorden 5 (mislukt).

Zoals we verwachtten, hangt het klontergedrag bij GSP-toepassingen aanzienlijk af van de gemiddelde diameter DIFI(50,3) van de gebruikte cellulose-ether. Bovendien werd in de vorige discussie vermeld dat van alle morfologische parameters DIFI(50,3) de oplostijd van cellulose-etherpoeders sterk beïnvloedde. Dit bevestigt dat de oplostijd van cellulose-ether, die sterk gecorreleerd is met de deeltjesmorfologie, uiteindelijk de vorming van klonten in GSP beïnvloedt. Een grotere DIFI (50,3) zorgt voor een langere oplostijd van het poeder, wat de kans op agglomeratie aanzienlijk verkleint. Een te lange oplostijd van het poeder zal het echter moeilijk maken voor de cellulose-ether om volledig op te lossen binnen de roertijd van de spuitapparatuur.

Het nieuwe HEMC-product met een geoptimaliseerd oplosprofiel dankzij een grotere gemiddelde vezeldiameter DIFI(50,3) zorgt niet alleen voor een betere bevochtiging van het gipspoeder (zoals blijkt uit de klonteringsevaluatie), maar heeft ook geen invloed op de waterretentieprestaties van het product. De waterretentie gemeten volgens EN 459-2 was niet te onderscheiden van HEMC-producten met dezelfde viscositeit met DIFI(50,3) van 37 µm tot 52 µm. Alle metingen na 5 minuten en 60 minuten vallen binnen het vereiste bereik dat in de grafiek wordt weergegeven.

Er werd echter ook bevestigd dat als DIFI(50,3) te groot wordt, de cellulose-etherdeeltjes niet langer volledig zullen oplossen. Dit werd gevonden bij het testen van een DIFI(50,3) van 59 µM product. De waterretentietestresultaten na 5 minuten en vooral na 60 minuten voldeden niet aan het vereiste minimum.

5. Samenvatting

Cellulose-ethers zijn belangrijke additieven in GSP-formuleringen. Bij het onderzoeks- en productontwikkelingswerk hier wordt gekeken naar de correlatie tussen de deeltjesmorfologie van cellulose-ethers en de vorming van niet-bevochtigde klonten (zogenaamde klontering) bij mechanisch spuiten. Het is gebaseerd op de aanname van het werkingsmechanisme dat de oplostijd van cellulose-etherpoeder de bevochtiging van gipspoeder door water beïnvloedt en daarmee de vorming van klonten beïnvloedt.

De oplostijd hangt af van de deeltjesmorfologie van de cellulose-ether en kan worden verkregen met behulp van digitale beeldanalysehulpmiddelen. In GSP hebben cellulose-ethers met een grote gemiddelde diameter DIFI (50,3) geoptimaliseerde poederoploseigenschappen, waardoor water meer tijd heeft om de gipsdeeltjes grondig te bevochtigen, waardoor optimale anti-agglomeratie mogelijk wordt. Dit type cellulose-ether wordt geproduceerd met behulp van een nieuw productieproces en de deeltjesvorm is niet afhankelijk van de oorspronkelijke vorm van de grondstof voor de productie.

De gemiddelde vezeldiameter DIFI (50,3) heeft een zeer belangrijk effect op het klonteren, wat is geverifieerd door dit product toe te voegen aan een in de handel verkrijgbare machinaal gespoten gipsbasis voor spuiten ter plaatse. Bovendien bevestigden deze veldspuittesten onze laboratoriumresultaten: de best presterende cellulose-etherproducten met grote DIFI (50,3) waren volledig oplosbaar binnen het tijdsbestek van GSP-roeren. Daarom behoudt het cellulose-etherproduct met de beste antiklontereigenschappen na verbetering van de deeltjesvorm nog steeds de oorspronkelijke waterretentieprestaties.