Éter de celulose em produtos à base de cimento

O éter de celulose é um tipo de aditivo multifuncional que pode ser utilizado em produtos de cimento. Este artigo apresenta as propriedades químicas da metilcelulose (MC) e da hidroxipropilmetilcelulose (HPMC /) comumente utilizadas em produtos de cimento, o método e princípio da solução líquida e as principais características da solução. A diminuição da temperatura e da viscosidade do gel térmico em produtos de cimento foi discutida com base na experiência prática de produção.

Palavras-chave:éter de celulose; Metilcelulose;Hidroxipropilmetilcelulose; Temperatura do gel quente; viscosidade

1. Visão geral

O éter de celulose (abreviadamente CE) é feito de celulose por meio da reação de eterificação de um ou vários agentes eterificantes e moagem a seco. O CE pode ser dividido em tipos iônicos e não iônicos, entre os quais o CE do tipo não iônico devido às suas características únicas de gel térmico e solubilidade, resistência ao sal, resistência ao calor e possui atividade superficial apropriada. Pode ser usado como agente de retenção de água, agente de suspensão, emulsificante, agente formador de filme, lubrificante, adesivo e melhorador reológico. As principais áreas de consumo estrangeiro são revestimentos de látex, materiais de construção, perfuração de petróleo e assim por diante. Em comparação com países estrangeiros, a produção e aplicação de CE solúvel em água ainda está na sua infância. Com a melhoria da saúde das pessoas e da consciência ambiental. O CE solúvel em água, que é inofensivo à fisiologia e não polui o meio ambiente, terá grande desenvolvimento.

No campo dos materiais de construção, o CE geralmente selecionado é a metilcelulose (MC) e a hidroxipropilmetilcelulose (HPMC), podendo ser usados ​​como plastificante de tintas, gesso, argamassa e produtos de cimento, viscosificante, agente de retenção de água, agente de incorporação de ar e agente retardador. A maior parte da indústria de materiais de construção é usada em temperatura normal, usando condições de mistura seca em pó e água, envolvendo menos as características de dissolução e características de gel quente do CE, mas na produção mecanizada de produtos de cimento e outras condições especiais de temperatura, essas características de CE desempenhará um papel mais completo.

2. Propriedades químicas do CE

CE é obtido tratando a celulose por meio de uma série de métodos químicos e físicos. De acordo com as diferentes estruturas de substituição química, geralmente podem ser divididos em: MC, HPMC, hidroxietilcelulose (HEC), etc.: Cada CE possui a estrutura básica da celulose - glicose desidratada. No processo de produção de CE, as fibras de celulose são primeiro aquecidas em solução alcalina e depois tratadas com agentes eterificantes. Os produtos fibrosos da reação são purificados e pulverizados para formar um pó uniforme de certa finura.

O processo de produção do MC utiliza apenas cloreto de metano como agente eterificante. Além do uso de cloreto de metano, a produção de HPMC também utiliza óxido de propileno para obter grupos substituintes hidroxipropil. Vários CE têm diferentes taxas de substituição de metila e hidroxipropil, o que afeta a compatibilidade orgânica e a temperatura térmica do gel da solução de CE.

O número de grupos de substituição nas unidades estruturais de glicose desidratada da celulose pode ser expresso pela porcentagem de massa ou pelo número médio de grupos de substituição (ou seja, DS - Grau de Substituição). O número de grupos substituintes determina as propriedades dos produtos CE. O efeito do grau médio de substituição na solubilidade dos produtos de eterificação é o seguinte:

(1) baixo grau de substituição solúvel em soda cáustica;

(2) grau de substituição ligeiramente elevado solúvel em água;

(3) alto grau de substituição dissolvido em solventes orgânicos polares;

(4) Maior grau de substituição dissolvido em solventes orgânicos apolares.

3. Método de dissolução de CE

CE possui uma propriedade única de solubilidade, quando a temperatura sobe até uma determinada temperatura, é insolúvel em água, mas abaixo dessa temperatura, sua solubilidade aumentará com a diminuição da temperatura. CE é solúvel em água fria (e em alguns casos em solventes orgânicos específicos) através do processo de inchaço e hidratação. As soluções CE não possuem as limitações óbvias de solubilidade que aparecem na dissolução de sais iônicos. A concentração de CE é geralmente limitada à viscosidade que pode ser controlada pelo equipamento de produção, e também varia de acordo com a viscosidade e variedade química exigida pelo usuário. A concentração da solução de CE de baixa viscosidade é geralmente de 10% a 15%, e CE de alta viscosidade é geralmente limitada a 2% a 3%. Diferentes tipos de CE (como pó ou pó tratado com superfície ou granulado) podem afetar o modo como a solução é preparada.

3.1 CE sem tratamento de superfície

Embora o CE seja solúvel em água fria, deve ser completamente disperso em água para evitar aglomeração. Em alguns casos, um misturador ou funil de alta velocidade pode ser usado em água fria para dispersar o pó CE. Contudo, se o pó não tratado for adicionado directamente à água fria sem agitação suficiente, formarão grumos substanciais. A principal razão para a aglomeração é que as partículas de pó CE não estão completamente molhadas. Quando apenas parte do pó é dissolvida, forma-se uma película de gel, que impede que o pó restante continue a se dissolver. Portanto, antes da dissolução, as partículas de CE devem estar totalmente dispersas, tanto quanto possível. Os dois métodos de dispersão a seguir são comumente usados.

3.1.1 Método de dispersão da mistura seca

Este método é mais comumente usado em produtos de cimento. Antes de adicionar água, misture outro pó com pó CE uniformemente, para que as partículas de pó CE sejam dispersas. Relação mínima de mistura: Outro pó: Pó CE =(3 ~ 7): 1.

Neste método, a dispersão de CE é completada no estado seco, usando outro pó como meio para dispersar as partículas de CE entre si, de modo a evitar a ligação mútua das partículas de CE ao adicionar água e afetar a dissolução adicional. Portanto, não é necessária água quente para a dispersão, mas a taxa de dissolução depende das partículas do pó e das condições de agitação.

3.1.2 Método de dispersão em água quente

(1) O primeiro 1/5 ~ 1/3 do aquecimento de água necessário até 90 ° C acima, adicione CE e, em seguida, mexa até que todas as partículas se dispersem úmidas e, em seguida, a água restante em água fria ou gelada adicionada para reduzir a temperatura do solução, uma vez atingida a temperatura de dissolução CE, o pó começou a hidratar, a viscosidade aumentou.

(2) Você também pode aquecer toda a água e depois adicionar CE para mexer enquanto esfria até que a hidratação esteja completa. O resfriamento suficiente é muito importante para a hidratação completa do CE e a formação de viscosidade. Para uma viscosidade ideal, a solução MC deve ser resfriada a 0~5°C, enquanto a HPMC só precisa ser resfriada a 20~25°C ou menos. Como a hidratação completa requer resfriamento suficiente, as soluções de HPMC são comumente usadas onde a água fria não pode ser usada: de acordo com as informações, o HPMC tem menos redução de temperatura do que o MC em temperaturas mais baixas para atingir a mesma viscosidade. É importante notar que o método de dispersão em água quente apenas faz com que as partículas de CE se dispersem uniformemente em temperaturas mais altas, mas nenhuma solução é formada neste momento. Para obter uma solução com certa viscosidade, ela deve ser resfriada novamente.

3.2 Pó CE dispersível com tratamento de superfície

Em muitos casos, é necessário que o CE tenha características de dispersão e hidratação rápida (viscosidade de formação) em água fria. O CE tratado na superfície é temporariamente insolúvel em água fria após tratamento químico especial, o que garante que quando o CE é adicionado à água, ele não formará imediatamente uma viscosidade óbvia e pode ser disperso sob condições de força de cisalhamento relativamente pequenas. O “tempo de atraso” de hidratação ou formação de viscosidade é o resultado da combinação do grau de tratamento superficial, temperatura, pH do sistema e concentração da solução CE. O atraso da hidratação é geralmente reduzido em concentrações, temperaturas e níveis de pH mais elevados. Em geral, porém, a concentração de CE não é considerada até atingir 5% (a proporção em massa de água).

Para melhores resultados e hidratação completa, o CE tratado superficialmente deve ser agitado por alguns minutos em condições neutras, com faixa de pH de 8,5 a 9,0, até atingir a viscosidade máxima (geralmente 10-30 minutos). Uma vez que o pH muda para básico (pH 8,5 a 9,0), o CE tratado na superfície se dissolve completa e rapidamente, e a solução pode ser estável em pH 3 a 11. No entanto, é importante observar que o ajuste do pH de uma pasta de alta concentração fará com que a viscosidade seja muito alta para bombeamento e vazamento. O pH deve ser ajustado depois que a pasta tiver sido diluída até a concentração desejada.

Resumindo, o processo de dissolução do CE inclui dois processos: dispersão física e dissolução química. A chave é dispersar as partículas de CE entre si antes da dissolução, de modo a evitar aglomeração devido à alta viscosidade durante a dissolução a baixa temperatura, o que afetará a dissolução adicional.

4. Propriedades da solução CE

Diferentes tipos de soluções aquosas de CE irão gelificar em suas temperaturas específicas. O gel é completamente reversível e forma uma solução quando resfriado novamente. A gelificação térmica reversível do CE é única. Em muitos produtos de cimento, o principal uso da viscosidade do CE e as propriedades correspondentes de retenção de água e lubrificação, e a viscosidade e a temperatura do gel têm uma relação direta, sob a temperatura do gel, quanto menor a temperatura, maior a viscosidade do CE, melhor será o desempenho de retenção de água correspondente.

A explicação atual para o fenômeno do gel é esta: no processo de dissolução, isso é semelhante

As moléculas de polímero do fio se conectam com a camada molecular da água, resultando em inchaço. As moléculas de água agem como óleo lubrificante, que pode separar longas cadeias de moléculas de polímero, de modo que a solução tenha as propriedades de um fluido viscoso fácil de despejar. Quando a temperatura da solução aumenta, o polímero de celulose perde gradualmente água e a viscosidade da solução diminui. Quando o ponto de gel é atingido, o polímero fica completamente desidratado, resultando na ligação entre os polímeros e na formação do gel: a resistência do gel continua a aumentar à medida que a temperatura permanece acima do ponto de gel.

À medida que a solução esfria, o gel começa a reverter e a viscosidade diminui. Finalmente, a viscosidade da solução de resfriamento retorna à curva inicial de aumento de temperatura e aumenta com a diminuição da temperatura. A solução pode ser arrefecida até ao seu valor de viscosidade inicial. Portanto, o processo de gel térmico do CE é reversível.

O principal papel do CE em produtos de cimento é como viscosificante, plastificante e agente de retenção de água, portanto, como controlar a viscosidade e a temperatura do gel tornou-se um fator importante em produtos de cimento que geralmente usam seu ponto inicial de temperatura do gel abaixo de uma seção da curva, portanto, quanto mais baixa a temperatura, quanto maior a viscosidade, mais óbvio será o efeito da retenção de água do viscosificante. Os resultados dos testes da linha de produção de placas de cimento extrusado também mostram que quanto mais baixa a temperatura do material estiver sob o mesmo conteúdo de CE, melhor será o efeito de viscosificação e retenção de água. Como o sistema de cimento é um sistema de propriedades físicas e químicas extremamente complexo, há muitos fatores que afetam a mudança na temperatura e na viscosidade do gel CE. E a influência de várias tendências e graus de Taianin não são os mesmos, então a aplicação prática também descobriu que após a mistura do sistema de cimento, o ponto real de temperatura do gel do CE (ou seja, o declínio do efeito de retenção de cola e água é muito óbvio nesta temperatura ) são inferiores à temperatura do gel indicada pelo produto, portanto, na seleção dos produtos CE devem ser levados em consideração os fatores que causam o declínio da temperatura do gel. A seguir estão os principais fatores que acreditamos que afetam a viscosidade e a temperatura do gel da solução CE em produtos de cimento.

4.1 Influência do valor do pH na viscosidade

MC e HPMC são não iônicos, portanto, a viscosidade da solução do que a viscosidade da cola iônica natural tem uma faixa mais ampla de estabilidade DH, mas se o valor do pH exceder a faixa de 3 ~ 11, eles reduzirão gradualmente a viscosidade em um temperatura mais alta ou em armazenamento por um longo período de tempo, especialmente solução de alta viscosidade. A viscosidade da solução do produto CE diminui em solução de ácido forte ou base forte, o que se deve principalmente à desidratação do CE causada por base e ácido. Portanto, a viscosidade do CE geralmente diminui até certo ponto no ambiente alcalino dos produtos de cimento.

4.2 Influência da taxa de aquecimento e agitação no processo de gelificação

A temperatura do ponto de gel será afetada pelo efeito combinado da taxa de aquecimento e da taxa de cisalhamento de agitação. A agitação em alta velocidade e o aquecimento rápido geralmente aumentam significativamente a temperatura do gel, o que é favorável para produtos de cimento formados por mistura mecânica.

4.3 Influência da concentração no gel quente

Aumentar a concentração da solução geralmente reduz a temperatura do gel, e os pontos de gel do CE de baixa viscosidade são maiores que os do CE de alta viscosidade. Como o METHOCEL A da DOW

A temperatura do gel será reduzida em 10°C para cada aumento de 2% na concentração do produto. Um aumento de 2% na concentração de produtos do tipo F reduzirá a temperatura do gel em 4°C.

4.4 Influência dos aditivos na gelificação térmica

No campo dos materiais de construção, muitos materiais são sais inorgânicos, que terão um impacto significativo na temperatura do gel da solução CE. Dependendo se o aditivo atua como coagulante ou agente solubilizante, alguns aditivos podem aumentar a temperatura do gel térmico do CE, enquanto outros podem diminuir a temperatura do gel térmico do CE: por exemplo, etanol intensificador de solvente, PEG-400 (polietilenoglicol) , anediol, etc., podem aumentar o ponto de gel. Sais, glicerina, sorbitol e outras substâncias reduzirão o ponto de gelificação, CE não iônico geralmente não será precipitado devido a íons metálicos polivalentes, mas quando a concentração de eletrólitos ou outras substâncias dissolvidas exceder um certo limite, os produtos CE podem ser salgados em solução, isso se deve à competição dos eletrólitos com a água, resultando na redução da hidratação do CE. O teor de sal da solução do produto CE é geralmente ligeiramente superior ao do produto Mc, e o teor de sal é ligeiramente diferente em diferentes HPMC.

Muitos ingredientes em produtos de cimento farão com que o ponto de gelificação do CE diminua, portanto, a seleção de aditivos deve levar em consideração que isso pode causar alterações no ponto de gelificação e na viscosidade do CE.

5.Conclusão

(1) o éter de celulose é a celulose natural por meio de reação de eterificação, possui a unidade estrutural básica da glicose desidratada, de acordo com o tipo e número de grupos substituintes em sua posição de substituição e possui propriedades diferentes. O éter não iônico, como MC e HPMC, pode ser usado como viscosificante, agente de retenção de água, agente de arrastamento de ar e outros amplamente utilizados em produtos de materiais de construção.

(2) CE tem solubilidade única, formando solução a uma determinada temperatura (como a temperatura do gel) e formando gel sólido ou mistura de partículas sólidas à temperatura do gel. Os principais métodos de dissolução são o método de dispersão por mistura a seco, o método de dispersão em água quente, etc., em produtos de cimento comumente usados ​​é o método de dispersão por mistura a seco. A chave é dispersar o CE uniformemente antes de se dissolver, formando uma solução a baixas temperaturas.

(3) A concentração da solução, temperatura, valor de pH, propriedades químicas dos aditivos e taxa de agitação afetarão a temperatura do gel e a viscosidade da solução CE, especialmente os produtos de cimento são soluções de sal inorgânico em ambiente alcalino, geralmente reduzem a temperatura do gel e a viscosidade da solução CE , trazendo efeitos adversos. Portanto, de acordo com as características do CE, em primeiro lugar, deve ser utilizado em baixa temperatura (abaixo da temperatura do gel) e, em segundo lugar, deve-se levar em consideração a influência dos aditivos.