Эфир целлюлозы в продуктах на основе цемента

Эфир целлюлозы – это своего рода универсальная добавка, которую можно использовать в цементных изделиях. В этой статье представлены химические свойства метилцеллюлозы (МЦ) и гидроксипропилметилцеллюлозы (ГПМЦ), обычно используемых в цементных изделиях, метод и принцип получения чистого раствора, а также основные характеристики раствора. На основе практического производственного опыта рассмотрено снижение температуры и вязкости термогеля в цементных изделиях.

Ключевые слова:эфир целлюлозы; Метилцеллюлоза;Гидроксипропилметилцеллюлоза; Температура горячего геля; вязкость

1. Обзор

Эфир целлюлозы (сокращенно ЭЦ) изготавливается из целлюлозы путем реакции этерификации одного или нескольких этерифицирующих агентов и сухого измельчения. CE можно разделить на ионные и неионные типы, среди которых CE неионного типа из-за его уникальных характеристик термогеля и растворимости, солеустойчивости, термостойкости и соответствующей поверхностной активности. Его можно использовать в качестве водоудерживающего агента, суспендирующего агента, эмульгатора, пленкообразователя, смазки, клея и реологического улучшителя. Основными областями зарубежного потребления являются латексные покрытия, строительные материалы, бурение нефтяных скважин и так далее. По сравнению с зарубежными странами производство и применение водорастворимых CE все еще находится в зачаточном состоянии. С улучшением здоровья людей и экологической осведомленности. Большое развитие получит водорастворимый КЭ, который безвреден для физиологии и не загрязняет окружающую среду.

В области строительных материалов обычно выбирают метилцеллюлозу (MC) и гидроксипропилметилцеллюлозу (HPMC), которые могут использоваться в качестве пластификатора красок, штукатурки, строительных растворов и цементных изделий, загустителя, водоудерживающего агента, воздухововлекающего агента и замедлителя. Большая часть промышленности строительных материалов используется при нормальной температуре, условия использования - сухая смесь порошка и воды, меньшее использование характеристик растворения и характеристик горячего геля CE, но при механизированном производстве цементных изделий и других особых температурных условиях эти характеристики CE будет играть более полную роль.

2. Химические свойства CE

CE получают путем обработки целлюлозы рядом химических и физических методов. По различной химической структуре замещения обычно можно разделить на: МС, ГПМЦ, гидроксиэтилцеллюлозу (ГЭЦ) и т. д.: Каждый СЕ имеет базовую структуру целлюлозы — дегидратированную глюкозу. В процессе производства КЭ волокна целлюлозы сначала нагревают в щелочном растворе, а затем обрабатывают этерифицирующими агентами. Волокнистые продукты реакции очищаются и измельчаются до образования однородного порошка определенной крупности.

В процессе производства MC в качестве этерифицирующего агента используется только хлорид метана. Помимо использования хлористого метана, при производстве ГПМЦ также используется оксид пропилена для получения гидроксипропильных заместителей. Различные CE имеют разные степени замещения метила и гидроксипропила, что влияет на органическую совместимость и температуру термического геля раствора CE.

Число групп замещения в структурных единицах обезвоженной глюкозы целлюлозы может быть выражено в процентах по массе или в среднем количестве групп замещения (т.е. DS — степень замещения). Количество групп заместителей определяет свойства продуктов КЭ. Влияние средней степени замещения на растворимость продуктов этерификации следующее:

(1) низкая степень замещения, растворимость в щелочи;

(2) слегка высокая степень замещения, растворимая в воде;

(3) высокая степень замещения растворенных в полярных органических растворителях;

(4) Более высокая степень замещения растворяется в неполярных органических растворителях.

3. Метод растворения КЭ.

CE обладает уникальным свойством растворимости: когда температура повышается до определенной температуры, он нерастворим в воде, но ниже этой температуры его растворимость будет увеличиваться с понижением температуры. CE растворим в холодной воде (а в некоторых случаях и в определенных органических растворителях) в результате процесса набухания и гидратации. Растворы CE не имеют очевидных ограничений растворимости, которые возникают при растворении ионных солей. Концентрация CE обычно ограничивается вязкостью, которую можно контролировать с помощью производственного оборудования, а также варьируется в зависимости от вязкости и химического состава, требуемых пользователем. Концентрация раствора CE низкой вязкости обычно составляет 10–15%, а CE высокой вязкости обычно ограничивается 2–3%. Различные типы CE (например, порошок, порошок или гранулы с обработанной поверхностью) могут влиять на способ приготовления раствора.

3.1 CE без обработки поверхности

Хотя CE растворим в холодной воде, он должен быть полностью диспергирован в воде, чтобы избежать комкования. В некоторых случаях для диспергирования порошка CE можно использовать высокоскоростной миксер или воронку в холодной воде. Однако если необработанный порошок добавить непосредственно в холодную воду без достаточного перемешивания, образуются крупные комки. Основная причина слеживания заключается в том, что частицы порошка CE не являются полностью влажными. Когда растворяется только часть порошка, образуется гелевая пленка, которая не позволяет оставшемуся порошку продолжать растворяться. Поэтому перед растворением частицы CE должны быть полностью диспергированы, насколько это возможно. Обычно используются следующие два метода дисперсии.

3.1.1 Метод диспергирования сухой смеси

Этот метод чаще всего используется в цементных изделиях. Перед добавлением воды равномерно смешайте другой порошок с порошком CE, чтобы частицы порошка CE диспергировались. Минимальное соотношение смешивания: Другой порошок: Порошок CE = (3 ~ 7): 1.

В этом методе диспергирование CE осуществляется в сухом состоянии с использованием другого порошка в качестве среды для диспергирования частиц CE друг с другом, чтобы избежать взаимного связывания частиц CE при добавлении воды и влияния на дальнейшее растворение. Поэтому для диспергирования не нужна горячая вода, а скорость растворения зависит от частиц порошка и условий перемешивания.

3.1.2 Метод диспергирования горячей водой

(1) Первые 1/5~1/3 необходимой воды нагревают до температуры 90°С, указанной выше, добавляют CE, а затем перемешивают до тех пор, пока все частицы не станут влажными, а затем добавляют оставшуюся воду в холодную или ледяную воду, чтобы снизить температуру раствор, как только достиг температуры растворения CE, порошок начал гидратироваться, вязкость увеличилась.

(2) Вы также можете нагреть всю воду, а затем добавить CE и перемешивать при охлаждении до завершения гидратации. Достаточное охлаждение очень важно для полной гидратации КЭ и образования вязкости. Для достижения идеальной вязкости раствор MC следует охладить до температуры 0–5 ℃, а раствор HPMC необходимо охладить только до 20–25 ℃ или ниже. Поскольку полная гидратация требует достаточного охлаждения, растворы HPMC обычно используются там, где нельзя использовать холодную воду: согласно информации, HPMC имеет меньшее снижение температуры, чем MC, при более низких температурах для достижения той же вязкости. Стоит отметить, что метод диспергирования в горячей воде позволяет частицам CE диспергироваться равномерно только при более высокой температуре, но при этом раствор не образуется. Для получения раствора определенной вязкости его необходимо еще раз охладить.

3.2 Диспергируемый порошок CE с обработанной поверхностью

Во многих случаях требуется, чтобы CE обладал как диспергируемостью, так и характеристиками быстрой гидратации (образуя вязкость) в холодной воде. CE с обработанной поверхностью временно нерастворим в холодной воде после специальной химической обработки, что гарантирует, что при добавлении CE в воду он не сразу образует очевидную вязкость и может быть диспергирован в условиях относительно небольшой силы сдвига. «Время задержки» образования гидратации или вязкости является результатом сочетания степени обработки поверхности, температуры, pH системы и концентрации раствора CE. Задержка гидратации обычно снижается при более высоких концентрациях, температурах и уровнях pH. Однако в целом концентрация CE не учитывается до тех пор, пока она не достигнет 5% (массовое соотношение воды).

Для достижения наилучших результатов и полной гидратации поверхностно обработанный CE следует перемешивать в течение нескольких минут в нейтральных условиях, в диапазоне pH от 8,5 до 9,0, до достижения максимальной вязкости (обычно 10-30 минут). Как только pH меняется на основной (pH от 8,5 до 9,0), CE с обработанной поверхностью полностью и быстро растворяется, и раствор может быть стабильным при pH от 3 до 11. Однако важно отметить, что регулирование pH суспензии с высокой концентрацией приведет к тому, что вязкость станет слишком высокой для перекачивания и заливки. Уровень pH следует регулировать после того, как суспензия будет разбавлена ​​до желаемой концентрации.

Подводя итог, процесс растворения CE включает в себя два процесса: физическое диспергирование и химическое растворение. Ключевым моментом является диспергирование частиц CE друг с другом перед растворением, чтобы избежать агломерации из-за высокой вязкости во время растворения при низкой температуре, которая повлияет на дальнейшее растворение.

4. Свойства раствора КЭ

Различные виды водных растворов CE будут желатинироваться при определенных температурах. Гель полностью обратим и при повторном охлаждении образует раствор. Обратимое термическое гелеобразование CE уникально. Во многих цементных продуктах в основном используется вязкость CE и соответствующие свойства удержания воды и смазки, а вязкость и температура геля имеют прямую зависимость: при температуре геля, чем ниже температура, тем выше вязкость CE, тем лучше соответствующие показатели удержания воды.

Современное объяснение феномена геля таково: в процессе растворения происходит аналогичное

Молекулы полимера нити соединяются с молекулярным слоем воды, что приводит к набуханию. Молекулы воды действуют как смазочное масло, которое может разрывать длинные цепочки молекул полимера, так что раствор приобретает свойства вязкой жидкости, которую легко слить. При повышении температуры раствора полимер целлюлозы постепенно теряет воду и вязкость раствора снижается. Когда достигается точка гелеобразования, полимер полностью обезвоживается, что приводит к связыванию полимеров и образованию геля: прочность геля продолжает увеличиваться, поскольку температура остается выше точки гелеобразования.

По мере охлаждения раствора гель начинает разворачиваться и вязкость снижается. Наконец, вязкость охлаждающего раствора возвращается к исходной кривой повышения температуры и увеличивается с понижением температуры. Раствор может быть охлажден до исходного значения вязкости. Следовательно, термогелевый процесс КЭ является обратимым.

Основная роль CE в цементных продуктах заключается в качестве загустителя, пластификатора и агента, удерживающего воду, поэтому контроль вязкости и температуры геля стал важным фактором в цементных продуктах, обычно используйте начальную точку температуры геля ниже участка кривой, поэтому чем ниже температура, тем выше вязкость, тем более очевиден эффект удержания воды в загустителе. Результаты испытаний линии по производству экструзионных цементных плит также показывают, что чем ниже температура материала при одинаковом содержании CE, тем лучше эффект загустения и удержания воды. Поскольку цементная система представляет собой чрезвычайно сложную систему физических и химических свойств, существует множество факторов, влияющих на изменение температуры и вязкости геля CE. И влияние различных тенденций и степени Taianin не одинаково, поэтому практическое применение также обнаружило, что после смешивания цементной системы фактическая точка температуры геля CE (то есть снижение эффекта удержания клея и воды очень очевидно при этой температуре) ) ниже температуры геля, указанной продуктом, поэтому при выборе продуктов CE необходимо учитывать факторы, вызывающие снижение температуры геля. Ниже приведены основные факторы, которые, по нашему мнению, влияют на вязкость и температуру геля раствора CE в цементных продуктах.

4.1 Влияние значения pH на вязкость

MC и HPMC неионогенны, поэтому вязкость раствора, чем вязкость натурального ионного клея, имеет более широкий диапазон стабильности DH, но если значение pH превышает диапазон 3 ~ 11, они постепенно уменьшают вязкость при при более высокой температуре или при хранении в течение длительного периода времени, особенно при высокой вязкости раствора. Вязкость раствора продукта CE снижается в растворе сильной кислоты или сильного основания, что происходит главным образом из-за дегидратации CE, вызванной основанием и кислотой. Поэтому вязкость КЭ обычно в определенной степени снижается в щелочной среде цементных изделий.

4.2 Влияние скорости нагрева и перемешивания на процесс гелеобразования

На температуру точки гелеобразования будет влиять совокупное влияние скорости нагрева и скорости сдвига при перемешивании. Высокоскоростное перемешивание и быстрый нагрев обычно значительно повышают температуру геля, что благоприятно для цементных продуктов, полученных путем механического смешивания.

4.3 Влияние концентрации горячего геля

Увеличение концентрации раствора обычно снижает температуру геля, а точки гелеобразования CE с низкой вязкостью выше, чем у CE с высокой вязкостью. Например, METHOCEL A компании DOW.

Температура геля будет снижаться на 10 ℃ на каждые 2% увеличения концентрации продукта. Увеличение концентрации продуктов F-типа на 2% снизит температуру геля на 4 ℃.

4.4 Влияние добавок на термическое гелеобразование

В области строительных материалов многие материалы представляют собой неорганические соли, которые оказывают существенное влияние на температуру геля раствора CE. В зависимости от того, действует ли добавка как коагулянт или солюбилизирующий агент, некоторые добавки могут повышать температуру термического геля CE, в то время как другие могут снижать температуру термического геля CE: например, этанол, усиливающий растворимость, ПЭГ-400 (полиэтиленгликоль). , андиол и т. д. могут повысить точку гелеобразования. Соли, глицерин, сорбит и другие вещества уменьшают точку гелеобразования, неионный CE, как правило, не выпадает в осадок из-за ионов поливалентных металлов, но когда концентрация электролита или других растворенных веществ превышает определенный предел, продукты CE могут высаливаться в растворе, это происходит из-за конкуренции электролитов с водой, что приводит к уменьшению гидратации CE. Содержание соли в растворе продукта CE обычно немного выше, чем у продукта Mc, а содержание соли немного отличается в разных HPMC.

Многие ингредиенты в цементных продуктах приводят к падению точки гелеобразования CE, поэтому при выборе добавок следует учитывать, что это может привести к изменению точки гелеобразования и вязкости CE.

5. Заключение

(1) эфир целлюлозы представляет собой природную целлюлозу, полученную в результате реакции этерификации, имеет основную структурную единицу дегидратированной глюкозы в зависимости от типа и количества замещающих групп в ее замещающем положении и имеет различные свойства. Неионогенный эфир, такой как MC и HPMC, может использоваться в качестве загустителя, водоудерживающего агента, воздухововлекающего агента и других широко используемых в строительных материалах продуктов.

(2) CE обладает уникальной растворимостью, образуя раствор при определенной температуре (например, температуре геля) и образуя твердый гель или смесь твердых частиц при температуре геля. Основными методами растворения являются метод дисперсии сухого смешивания, метод дисперсии горячей водой и т. д. В цементных продуктах обычно используется метод дисперсии сухого смешивания. Ключевым моментом является равномерное диспергирование CE до его растворения, образуя раствор при низких температурах.

(3) Концентрация раствора, температура, значение pH, химические свойства добавок и скорость перемешивания влияют на температуру геля и вязкость раствора CE, особенно цементные продукты представляют собой растворы неорганических солей в щелочной среде, обычно снижают температуру геля и вязкость раствора CE. , вызывая неблагоприятные последствия. Поэтому по характеристикам КЭ, во-первых, его следует использовать при низкой температуре (ниже температуры геля), во-вторых, следует учитывать влияние добавок.