Opracowanie nowych eterów celulozy HEMC w celu zmniejszenia aglomeracji tynków na bazie gipsu natryskiwanych maszynowo

Opracowanie nowych eterów celulozy HEMC w celu zmniejszenia aglomeracji tynków na bazie gipsu natryskiwanych maszynowo

Tynk gipsowy natryskiwany maszynowo (GSP) jest szeroko stosowany w Europie Zachodniej od lat 70. XX wieku. Pojawienie się natrysku mechanicznego skutecznie poprawiło efektywność tynkowania konstrukcji, jednocześnie obniżając koszty budowy. Wraz z pogłębianiem się komercjalizacji GSP, kluczowym dodatkiem stał się rozpuszczalny w wodzie eter celulozy. Eter celulozy zapewnia GSP dobre właściwości zatrzymywania wody, co ogranicza wchłanianie wilgoci przez podłoże w tynku, uzyskując w ten sposób stabilny czas wiązania i dobre właściwości mechaniczne. Ponadto specyficzna krzywa reologiczna eteru celulozy może poprawić efekt natrysku maszynowego i znacznie uprościć późniejsze procesy wyrównywania i wykańczania zapraw.

Pomimo oczywistych zalet eterów celulozy w zastosowaniach GSP, może on również potencjalnie przyczyniać się do tworzenia suchych grudek podczas natryskiwania. Te niezwilżone grudki są również znane jako zbrylające się lub zbrylające i mogą niekorzystnie wpływać na wyrównanie i wykończenie zaprawy. Aglomeracja może zmniejszyć wydajność zakładu i zwiększyć koszty zastosowań wysokowydajnych produktów gipsowych. W celu lepszego zrozumienia wpływu eterów celulozy na powstawanie grudek w GSP przeprowadziliśmy badania, próbując zidentyfikować istotne parametry produktu, które wpływają na ich powstawanie. Na podstawie wyników tych badań opracowaliśmy serię produktów na bazie eteru celulozy o zmniejszonej tendencji do aglomeracji i oceniliśmy je w zastosowaniach praktycznych.

Słowa kluczowe: eter celulozy; tynk maszynowy do natryskiwania gipsu; szybkość rozpuszczania; morfologia cząstek

1. Wstęp

Rozpuszczalne w wodzie etery celulozy są z powodzeniem stosowane w tynkach natryskowych na bazie gipsu (GSP) do regulacji zapotrzebowania na wodę, poprawy retencji wody i poprawy właściwości reologicznych zapraw. Dlatego pomaga poprawić wydajność mokrej zaprawy, zapewniając w ten sposób wymaganą wytrzymałość zaprawy. Ze względu na swoje opłacalne i przyjazne dla środowiska właściwości, sucha mieszanka GSP stała się w ciągu ostatnich 20 lat szeroko stosowanym materiałem do budowy wnętrz w całej Europie.

Maszyny do mieszania i natryskiwania suchej mieszanki GSP są z powodzeniem wprowadzane na rynek od dziesięcioleci. Chociaż niektóre właściwości techniczne sprzętu różnych producentów różnią się, wszystkie dostępne na rynku maszyny natryskowe umożliwiają bardzo ograniczony czas mieszania, aby woda zmieszała się z zaprawą gipsową zawierającą eter celulozy na sucho. Ogólnie rzecz biorąc, cały proces mieszania zajmuje tylko kilka sekund. Po wymieszaniu mokrą zaprawę przepompowuje się przez wąż doprowadzający i natryskuje na ścianę podłoża. Cały proces trwa minutę. Jednak w tak krótkim czasie etery celulozy muszą się całkowicie rozpuścić, aby w pełni rozwinąć swoje właściwości w zastosowaniu. Dodanie drobno zmielonych produktów eteru celulozy do receptur zapraw gipsowych zapewnia całkowite rozpuszczenie podczas procesu natryskiwania.

Drobno zmielony eter celulozy szybko nabiera konsystencji w kontakcie z wodą podczas mieszania w opryskiwaczu. Gwałtowny wzrost lepkości spowodowany rozpuszczeniem eteru celulozy powoduje problemy z jednoczesnym zwilżaniem wodą cząstek materiału cementowo-gipsowego. Gdy woda zaczyna gęstnieć, staje się mniej płynna i nie może przedostać się do małych porów pomiędzy cząsteczkami gipsu. Po zablokowaniu dostępu do porów proces zwilżania cząstek materiału cementowego przez wodę ulega opóźnieniu. Czas mieszania w opryskiwaczu był krótszy niż czas potrzebny do całkowitego zwilżenia cząstek gipsu, co skutkowało tworzeniem się grudek suchego proszku w świeżej, mokrej zaprawie. Kiedy już utworzą się zlepy, utrudniają one wydajność pracowników w kolejnych procesach: wyrównywanie zaprawy z grudkami jest bardzo kłopotliwe i zajmuje więcej czasu. Nawet po związaniu zaprawy mogą pojawić się początkowo utworzone grudki. Przykładowo zakrycie brył wewnątrz podczas budowy spowoduje, że w późniejszym etapie pojawią się ciemne obszary, których nie chcemy widzieć.

Choć etery celulozy stosowane są jako dodatki w GSP od wielu lat, dotychczas nie zbadano zbyt wiele ich wpływu na powstawanie niezwilżonych grudek. W artykule przedstawiono systematyczne podejście, które można zastosować do zrozumienia pierwotnej przyczyny aglomeracji z perspektywy eteru celulozy.

2. Przyczyny powstawania niezwilżonych kęp w GSP

2.1 Zwilżanie tynków gipsowych

Na wczesnych etapach ustalania programu badawczego zebrano szereg możliwych przyczyn powstawania zlepów w CSP. Następnie, poprzez analizę wspomaganą komputerowo, problem koncentruje się na tym, czy istnieje praktyczne rozwiązanie techniczne. W wyniku tych prac wstępnie wybrano optymalne rozwiązanie powstawania aglomeratów w GSP. Ze względów technicznych i handlowych wykluczona jest techniczna droga zmiany zwilżania cząstek gipsu poprzez obróbkę powierzchniową. Z komercyjnego punktu widzenia pomysł wymiany istniejącego sprzętu na sprzęt natryskowy ze specjalnie zaprojektowaną komorą mieszania, która może zapewnić wystarczające wymieszanie wody i zaprawy, jest wykluczony.

Inną opcją jest zastosowanie środków zwilżających jako dodatków w recepturach tynków gipsowych i znaleźliśmy już na to patent. Jednak dodatek tego dodatku nieuchronnie wpływa negatywnie na urabialność tynku. Co ważniejsze, zmienia właściwości fizyczne zaprawy, zwłaszcza twardość i wytrzymałość. Dlatego nie zagłębialiśmy się w to zbyt głęboko. Ponadto uważa się, że dodatek środków zwilżających może mieć niekorzystny wpływ na środowisko.

Biorąc pod uwagę, że eter celulozy jest już częścią receptury tynku na bazie gipsu, optymalizacja samego eteru celulozy staje się najlepszym rozwiązaniem, jakie można wybrać. Jednocześnie nie może wpływać na właściwości zatrzymywania wody i niekorzystnie wpływać na właściwości reologiczne stosowanego tynku. Bazując na wcześniej zaproponowanej hipotezie, że powstawanie niezwilżonych proszków w GSP wynika ze zbyt szybkiego wzrostu lepkości eterów celulozy po kontakcie z wodą podczas mieszania, głównym celem naszych badań stało się kontrolowanie charakterystyki rozpuszczania eterów celulozy .

2.2 Czas rozpuszczania eteru celulozy

Łatwym sposobem na spowolnienie szybkości rozpuszczania eterów celulozy jest użycie produktów granulowanych. Główną wadą stosowania tego podejścia w GSP jest to, że zbyt grube cząstki nie rozpuszczają się całkowicie w ciągu krótkiego, 10-sekundowego okna mieszania w opryskiwaczu, co prowadzi do utraty retencji wody. Ponadto pęcznienie nierozpuszczonego eteru celulozy w późniejszym etapie doprowadzi do zgęstnienia po tynkowaniu i wpłynie na właściwości użytkowe konstrukcji, czego nie chcemy widzieć.

Inną możliwością zmniejszenia szybkości rozpuszczania eterów celulozy jest odwracalne usieciowanie powierzchni eterów celulozy glioksalem. Jednakże, ponieważ reakcja sieciowania jest kontrolowana pod względem pH, szybkość rozpuszczania eterów celulozy w dużym stopniu zależy od pH otaczającego roztworu wodnego. Wartość pH systemu GSP zmieszanego z wapnem gaszonym jest bardzo wysoka, a sieciujące wiązania glioksalu na powierzchni szybko otwierają się po kontakcie z wodą, a lepkość zaczyna natychmiast rosnąć. Dlatego takie obróbki chemiczne nie mogą odgrywać roli w kontrolowaniu szybkości rozpuszczania w GSP.

Czas rozpuszczania eterów celulozy zależy również od morfologii ich cząstek. Jednak faktowi temu dotychczas nie poświęcono zbyt wiele uwagi, chociaż efekt jest bardzo znaczący. Mają stałą liniową szybkość rozpuszczania [kg/(m2•s)], więc ich rozpuszczanie i wzrost lepkości są proporcjonalne do dostępnej powierzchni. Szybkość ta może się znacznie różnić w zależności od zmian w morfologii cząstek celulozy. W naszych obliczeniach przyjmujemy, że pełną lepkość (100%) osiągamy po 5 sekundach mieszania.

Obliczenia różnych morfologii cząstek wykazały, że cząstki kuliste miały lepkość wynoszącą 35% lepkości końcowej przy połowie czasu mieszania. W tym samym czasie cząstki eteru celulozy w kształcie pręcików mogą osiągnąć jedynie 10%. Cząstki w kształcie dysku po prostu zaczęły się rozpuszczać2,5 sekundy.

Uwzględniono także idealną charakterystykę rozpuszczalności eterów celulozy w GSP. Opóźnij początkowe narastanie lepkości o ponad 4,5 sekundy. Następnie lepkość szybko wzrosła, aby osiągnąć lepkość końcową w ciągu 5 sekund mieszania. W GSP tak długi opóźniony czas rozpuszczania pozwala na uzyskanie niskiej lepkości układu, a dodana woda może całkowicie zwilżyć cząstki gipsu i przedostać się do porów pomiędzy cząstkami bez zakłóceń.

3. Morfologia cząstek eteru celulozy

3.1 Pomiar morfologii cząstek

Ponieważ kształt cząstek eteru celulozy ma tak istotny wpływ na rozpuszczalność, należy w pierwszej kolejności wyznaczyć parametry opisujące kształt cząstek eteru celulozy, a następnie zidentyfikować różnice pomiędzy niezwilżaniem. Szczególnie istotnym parametrem jest powstawanie aglomeratów .

Morfologię cząstek eteru celulozy uzyskaliśmy techniką dynamicznej analizy obrazu. Morfologię cząstek eterów celulozy można w pełni scharakteryzować za pomocą cyfrowego analizatora obrazu SYMPATEC (wyprodukowanego w Niemczech) i specjalnego oprogramowania do analizy. Za najważniejsze parametry kształtu cząstek uznano średnią długość włókien wyrażoną jako LEFI(50,3) oraz średnią średnicę wyrażoną jako DIFI(50,3). Za dane dotyczące średniej długości włókna uważa się pełną długość określonej rozproszonej cząstki eteru celulozy.

Zwykle dane dotyczące rozkładu wielkości cząstek, takie jak średnia średnica włókna DIFI, można obliczyć w oparciu o liczbę cząstek (oznaczoną przez 0), długość (oznaczoną przez 1), powierzchnię (oznaczoną przez 2) lub objętość (oznaczoną przez 3). Wszystkie pomiary danych cząstek w tym artykule opierają się na objętości i dlatego są oznaczone przyrostkiem 3. Na przykład w DIFI(50,3) 3 oznacza rozkład objętości, a 50 oznacza, że ​​50% krzywej rozkładu wielkości cząstek jest mniejsze niż wskazana wartość, a pozostałe 50% jest większe niż wskazana wartość. Dane dotyczące kształtu cząstek eteru celulozy podano w mikrometrach (µm).

3.2 Eter celulozy po optymalizacji morfologii cząstek

Biorąc pod uwagę wpływ powierzchni cząstek, czas rozpuszczania cząstek eteru celulozy o pręcikowym kształcie silnie zależy od średniej średnicy włókna DIFI (50,3). W oparciu o to założenie prace rozwojowe nad eterami celulozy miały na celu otrzymanie produktów o większej średniej średnicy włókien DIFI (50,3) w celu poprawy rozpuszczalności proszku.

Jednakże nie oczekuje się, że wzrostowi średniej długości włókien DIFI(50,3) będzie towarzyszył wzrost średniego rozmiaru cząstek. Zwiększenie obu parametrów razem spowoduje, że cząstki będą zbyt duże, aby całkowicie rozpuścić się w typowym 10-sekundowym czasie mieszania podczas natryskiwania mechanicznego.

Dlatego idealna hydroksyetylometyloceluloza (HEMC) powinna mieć większą średnią średnicę włókna DIFI(50,3) przy zachowaniu średniej długości włókna LEFI(50,3). Do produkcji ulepszonego HEMC stosujemy nowy proces produkcji eteru celulozy. Kształt cząstek rozpuszczalnego w wodzie eteru celulozy otrzymanego w tym procesie produkcyjnym jest całkowicie odmienny od kształtu cząstek celulozy użytej jako surowiec do produkcji. Innymi słowy, proces produkcyjny pozwala na uniezależnienie kształtu cząstek eteru celulozy od surowców produkcyjnych.

Trzy obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego: jeden przedstawiający eter celulozy wytwarzany w procesie standardowym i jeden przedstawiający eter celulozy wytwarzany w nowym procesie o większej średnicy DIFI(50,3) niż produkty narzędzi konwencjonalnych. Pokazano także morfologię drobno zmielonej celulozy użytej do produkcji tych dwóch produktów.

Porównując mikrografy elektronowe celulozy i eteru celulozy wytworzone w standardowym procesie, łatwo stwierdzić, że oba mają podobne cechy morfologiczne. Duża liczba cząstek na obu zdjęciach wykazuje zazwyczaj długie, cienkie struktury, co sugeruje, że podstawowe cechy morfologiczne nie zmieniły się nawet po zajściu reakcji chemicznej. Jest oczywiste, że charakterystyka morfologii cząstek produktów reakcji jest silnie skorelowana z surowcami.

Stwierdzono, że charakterystyka morfologiczna eteru celulozy wytwarzanego nowym procesem znacznie się różni, ma on większą średnią średnicę DIFI (50,3) i ma głównie okrągłe, krótkie i grube kształty cząstek, podczas gdy typowe cząstki cienkie i długie w surowcach celulozowych Prawie wymarły.

Rysunek ten ponownie pokazuje, że morfologia cząstek eterów celulozy wytwarzanych w nowym procesie nie jest już powiązana z morfologią surowca celulozowego – nie istnieje już związek pomiędzy morfologią surowca a produktem końcowym.

4. Wpływ morfologii cząstek HEMC na powstawanie niezwilżonych grudek w GSP

GSP testowano w warunkach terenowych, aby zweryfikować, czy nasza hipoteza dotycząca mechanizmu działania (że zastosowanie produktu w postaci eteru celulozy o większej średniej średnicy DIFI (50,3) zmniejszyłoby niepożądaną aglomerację) była poprawna. W doświadczeniach tych zastosowano HEMC o średnich średnicach DIFI(50,3) w zakresie od 37 µm do 52 µm. Aby zminimalizować wpływ czynników innych niż morfologia cząstek, bazę tynku gipsowego oraz wszystkie pozostałe dodatki pozostawiono w niezmienionej formie. Podczas badania utrzymywano stałą lepkość eteru celulozy (60 000 mPa.s, 2% roztwór wodny, mierzona reometrem HAAKE).

W próbach aplikacji do natryskiwania użyto dostępnego w handlu opryskiwacza gipsu (PFT G4). Skoncentruj się na ocenie powstawania niezwilżonych grudek zaprawy gipsowej bezpośrednio po jej nałożeniu na ścianę. Ocena zbrylania się na tym etapie procesu nakładania tynku najlepiej ujawni różnice w działaniu produktu. W teście doświadczeni pracownicy ocenili sytuację zbrylania, gdzie 1 oznaczało najlepszą, a 6 najgorszą.

Wyniki testu wyraźnie pokazują korelację pomiędzy średnią średnicą włókna DIFI (50,3) a oceną wydajności zbrylania. Zgodnie z naszą hipotezą, że produkty z eteru celulozy o większym DIFI(50,3) przewyższają mniejsze produkty DIFI(50,3), średni wynik dla DIFI(50,3) wynoszący 52 µm wyniósł 2 (dobry), podczas gdy te z DIFI(50,3) 50,3) 37µm i 40µm uzyskały ocenę 5 (niepowodzenie).

Jak się spodziewaliśmy, zachowanie zbrylania w zastosowaniach GSP zależy w znacznym stopniu od średniej średnicy DIFI(50,3) użytego eteru celulozy. Ponadto, jak wspomniano we wcześniejszej dyskusji, spośród wszystkich parametrów morfologicznych DIFI(50,3) silnie wpływa na czas rozpuszczania proszków eterów celulozy. Potwierdza to, że czas rozpuszczania eteru celulozy, który jest silnie skorelowany z morfologią cząstek, ostatecznie wpływa na powstawanie grudek w GSP. Większy DIFI (50,3) powoduje dłuższy czas rozpuszczania proszku, co znacznie zmniejsza ryzyko aglomeracji. Jednakże zbyt długi czas rozpuszczania proszku utrudni całkowite rozpuszczenie eteru celulozy w czasie mieszania urządzenia natryskowego.

Nowy produkt HEMC o zoptymalizowanym profilu rozpuszczania dzięki większej średniej średnicy włókien DIFI(50,3) nie tylko zapewnia lepsze zwilżanie proszku gipsowego (co widać w ocenie zbrylania), ale także nie wpływa na zdolność zatrzymywania wody przez produkt. Retencja wody mierzona zgodnie z EN 459-2 była nie do odróżnienia od produktów HEMC o tej samej lepkości przy DIFI(50,3) od 37 µm do 52 µm. Wszystkie pomiary po 5 minutach i 60 minutach mieszczą się w wymaganym zakresie pokazanym na wykresie.

Jednakże potwierdzono również, że jeśli DIFI(50,3) stanie się zbyt duży, cząstki eteru celulozy nie będą się już całkowicie rozpuszczać. Stwierdzono to podczas testowania DIFI(50,3) produktu o stężeniu 59 µM. Wyniki testu zatrzymywania wody po 5 minutach, a zwłaszcza po 60 minutach, nie spełniły wymaganego minimum.

5. Podsumowanie

Etery celulozy są ważnymi dodatkami w preparatach GSP. Prace badawczo-rozwojowe produktu dotyczą korelacji pomiędzy morfologią cząstek eterów celulozy a tworzeniem się niezwilżonych grudek (tzw. zbrylań) podczas natryskiwania mechanicznego. Opiera się to na założeniu mechanizmu działania, że ​​czas rozpuszczania proszku eteru celulozy wpływa na zwilżanie proszku gipsowego wodą, a tym samym wpływa na powstawanie grudek.

Czas rozpuszczania zależy od morfologii cząstek eteru celulozy i można go wyznaczyć za pomocą narzędzi do cyfrowej analizy obrazu. W GSP etery celulozy o dużej średniej średnicy DIFI (50,3) mają zoptymalizowane właściwości rozpuszczania proszku, dając więcej czasu wodzie na dokładne zwilżenie cząstek gipsu, umożliwiając w ten sposób optymalne zapobieganie aglomeracji. Ten rodzaj eteru celulozy wytwarzany jest w nowym procesie produkcyjnym, a jego postać cząsteczkowa nie zależy od pierwotnej postaci surowca do produkcji.

Bardzo istotny wpływ na zbrylanie ma średnia średnica włókien DIFI (50,3), co zostało potwierdzone poprzez dodanie tego produktu do dostępnej w handlu bazy gipsowej natryskiwanej maszynowo w celu natryskiwania na miejscu. Co więcej, te testy oprysków terenowych potwierdziły wyniki naszych badań laboratoryjnych: najskuteczniejsze produkty w postaci eteru celulozy z dużym DIFI (50,3) były całkowicie rozpuszczalne w oknie czasowym mieszania GSP. Dlatego też produkt w postaci eteru celulozy o najlepszych właściwościach przeciwzbrylających po poprawie kształtu cząstek nadal zachowuje pierwotną zdolność zatrzymywania wody.