Разработка новых эфиров целлюлозы HEMC для уменьшения агломерации в штукатурках, напыляемых машинным способом на основе гипса.

Разработка новых эфиров целлюлозы HEMC для уменьшения агломерации в штукатурках, напыляемых машинным способом на основе гипса.

Штукатурка машинным напылением (ГСП) на гипсовой основе широко применяется в Западной Европе с 1970-х годов. Появление механического напыления эффективно повысило эффективность штукатурных работ при одновременном снижении затрат на строительство. С углублением коммерциализации GSP ключевой добавкой стал водорастворимый эфир целлюлозы. Эфир целлюлозы наделяет GSP хорошими водоудерживающими свойствами, что ограничивает впитывание влаги основанием в штукатурке, обеспечивая тем самым стабильное время схватывания и хорошие механические свойства. Кроме того, специфическая реологическая кривая эфира целлюлозы позволяет улучшить эффект машинного напыления и значительно упростить последующие процессы выравнивания и отделки раствора.

Несмотря на очевидные преимущества эфиров целлюлозы при применении GSP, они также потенциально могут способствовать образованию сухих комков при распылении. Эти несмачиваемые комки также известны как комки или слеживание, и они могут отрицательно повлиять на выравнивание и отделку раствора. Агломерация может снизить эффективность объекта и увеличить стоимость применения высокоэффективных гипсовых продуктов. Чтобы лучше понять влияние эфиров целлюлозы на образование комков в GSP, мы провели исследование, чтобы попытаться определить соответствующие параметры продукта, которые влияют на их образование. По результатам данного исследования мы разработали серию продуктов на основе эфиров целлюлозы со сниженной склонностью к агломерации и оценили их практическое применение.

Ключевые слова: эфир целлюлозы; гипсовая машинная штукатурка; скорость растворения; морфология частиц

1. Введение

Водорастворимые эфиры целлюлозы успешно используются в штукатурках машинного напыления (GSP) на основе гипса для регулирования водопотребности, улучшения водоудержания и улучшения реологических свойств строительных растворов. Таким образом, это помогает улучшить характеристики влажного раствора, обеспечивая тем самым необходимую прочность раствора. Благодаря своим коммерчески выгодным и экологически чистым свойствам сухая смесь GSP за последние 20 лет стала широко используемым строительным материалом для внутренних работ по всей Европе.

Машины для смешивания и распыления сухих смесей GSP успешно коммерциализируются на протяжении десятилетий. Хотя некоторые технические характеристики оборудования разных производителей различаются, все имеющиеся в продаже распылительные машины обеспечивают очень ограниченное время перемешивания воды с сухой гипсовой смесью, содержащей эфир целлюлозы. Обычно весь процесс смешивания занимает всего несколько секунд. После смешивания влажный раствор перекачивается через напорный шланг и распыляется на стену основания. Весь процесс завершается в течение минуты. Однако за такой короткий период времени эфиры целлюлозы должны полностью раствориться, чтобы полностью раскрыть свои свойства при применении. Добавление тонкоизмельченных эфиров целлюлозы в составы гипсовых растворов обеспечивает полное растворение в процессе напыления.

Мелко измельченный эфир целлюлозы быстро приобретает консистенцию при контакте с водой во время перемешивания в распылителе. Быстрое повышение вязкости, вызванное растворением эфира целлюлозы, вызывает проблемы с одновременным смачиванием водой частиц гипсового вяжущего материала. Когда вода начинает густеть, она становится менее текучей и не может проникнуть в мелкие поры между частицами гипса. После перекрытия доступа к порам процесс смачивания частиц вяжущего материала водой задерживается. Время смешивания в распылителе было короче времени, необходимого для полного смачивания частиц гипса, что приводило к образованию комков сухого порошка в свежем влажном растворе. Образовавшиеся комки снижают эффективность работы рабочих в последующих процессах: выравнивание раствора с комками очень хлопотно и занимает больше времени. Даже после того, как раствор схватится, могут появиться первоначально образовавшиеся комки. Например, закрытие комков внутри во время строительства приведет к появлению темных участков на более позднем этапе, которых мы не хотим видеть.

Хотя эфиры целлюлозы уже много лет используются в качестве добавок в ГСП, их влияние на образование несмачиваемых комков до сих пор мало изучено. В этой статье представлен системный подход, который можно использовать для понимания основной причины агломерации с точки зрения эфира целлюлозы.

2. Причины образования несмачиваемых комков в ГСП.

2.1 Смачивание штукатурок на гипсовой основе

На ранних этапах создания исследовательской программы был выявлен ряд возможных первопричин образования комков в CSP. Далее, посредством компьютерного анализа, проблема фокусируется на том, существует ли практическое техническое решение. Благодаря этим работам предварительно был отобран оптимальный вариант формирования агломератов в ГСП. Как по техническим, так и по коммерческим соображениям технический путь изменения смачиваемости частиц гипса путем обработки поверхности исключается. С коммерческой точки зрения исключается идея замены существующего оборудования на распылительное оборудование со специально разработанной камерой смешения, способной обеспечить достаточное смешивание воды и раствора.

Другой вариант — использовать смачиватели в качестве добавок в рецептуры гипсовой штукатурки, и мы уже нашли на это патент. Однако добавление этой добавки неизбежно отрицательно влияет на удобоукладываемость штукатурки. Что еще более важно, это меняет физические свойства раствора, особенно твердость и прочность. Поэтому мы не вдавались в подробности. Кроме того, считается, что добавление смачивающих агентов может оказать неблагоприятное воздействие на окружающую среду.

Учитывая, что эфир целлюлозы уже входит в состав штукатурки на основе гипса, оптимизация самого эфира целлюлозы становится лучшим решением, которое можно выбрать. В то же время он не должен влиять на водоудерживающие свойства или отрицательно влиять на реологические свойства используемой штукатурки. На основании выдвинутой ранее гипотезы о том, что образование несмачиваемых порошков в ГСП происходит за счет чрезмерно быстрого увеличения вязкости эфиров целлюлозы после контакта с водой при перемешивании, основной целью нашего исследования стало управление характеристиками растворения эфиров целлюлозы. .

2.2 Время растворения эфира целлюлозы

Простой способ замедлить скорость растворения эфиров целлюлозы – использовать гранулированные продукты. Основным недостатком использования этого подхода в GSP является то, что слишком крупные частицы не растворяются полностью в течение короткого 10-секундного окна перемешивания в распылителе, что приводит к потере удержания воды. Кроме того, набухание нерастворенного эфира целлюлозы на более позднем этапе приведет к загустеванию после штукатурки и повлияет на характеристики конструкции, чего мы не хотим видеть.

Другим вариантом снижения скорости растворения эфиров целлюлозы является обратимое сшивание поверхности эфиров целлюлозы глиоксалем. Однако, поскольку реакция сшивки контролируется pH, скорость растворения эфиров целлюлозы сильно зависит от pH окружающего водного раствора. Значение pH системы GSP, смешанной с гашеной известью, очень велико, а сшивающие связи глиоксаля на поверхности быстро раскрываются после контакта с водой, и вязкость мгновенно начинает повышаться. Следовательно, такая химическая обработка не может играть роль в контроле скорости растворения GSP.

Время растворения эфиров целлюлозы зависит также от морфологии их частиц. Однако этому факту до сих пор не уделялось должного внимания, хотя эффект весьма значителен. Они имеют постоянную линейную скорость растворения [кг/(м2•с)], поэтому их растворение и нарастание вязкости пропорциональны доступной поверхности. Эта скорость может существенно меняться в зависимости от изменения морфологии частиц целлюлозы. В наших расчетах предполагается, что полная вязкость (100%) достигается после 5 секунд перемешивания.

Расчеты различных морфологий частиц показали, что сферические частицы имели вязкость 35% от конечной вязкости при половине времени смешивания. За тот же период количество стержнеобразных частиц эфира целлюлозы может достигать только 10%. Дискообразные частицы только начали растворяться после2,5 секунды.

Также включены идеальные характеристики растворимости эфиров целлюлозы в GSP. Задержите начальное нарастание вязкости более чем на 4,5 секунды. После этого вязкость быстро увеличивалась и достигала конечной вязкости в течение 5 секунд после перемешивания. В GSP такое длительное время задержки растворения позволяет системе иметь низкую вязкость, а добавленная вода может полностью смачивать частицы гипса и без помех проникать в поры между частицами.

3. Морфология частиц эфира целлюлозы.

3.1 Измерение морфологии частиц

Поскольку форма частиц эфира целлюлозы оказывает столь существенное влияние на растворимость, сначала необходимо определить параметры, описывающие форму частиц эфира целлюлозы, а затем выявить различия между несмачиваемостью. Образование агломератов является особенно важным параметром. .

Мы получили морфологию частиц эфира целлюлозы с помощью метода динамического анализа изображений. Морфологию частиц эфиров целлюлозы можно полностью охарактеризовать с помощью цифрового анализатора изображений SYMPATEC (производства Германия) и специальных программных инструментов анализа. Было обнаружено, что наиболее важными параметрами формы частиц являются средняя длина волокон, выраженная как LEFI(50,3), и средний диаметр, выраженный как DIFI(50,3). Данные о средней длине волокна считаются полной длиной определенной распределенной частицы эфира целлюлозы.

Обычно данные о распределении частиц по размерам, такие как средний диаметр волокна DIFI, можно рассчитать на основе количества частиц (обозначено 0), длины (обозначено 1), площади (обозначено 2) или объема (обозначено 3). Все измерения данных о частицах в этой статье основаны на объеме и поэтому обозначаются суффиксом 3. Например, в DIFI(50,3) 3 означает объемное распределение, а 50 означает, что 50% кривой распределения частиц по размерам меньше указанного значения, а остальные 50% больше указанного значения. Данные о форме частиц эфира целлюлозы приведены в микрометрах (мкм).

3.2 Эфир целлюлозы после оптимизации морфологии частиц

С учетом влияния поверхности частиц время растворения частиц эфира целлюлозы, имеющих стержнеобразную форму, сильно зависит от среднего диаметра волокна DIFI (50,3). Исходя из этого предположения, работы по разработке эфиров целлюлозы были направлены на получение продуктов с большим средним диаметром волокон DIFI (50,3) для улучшения растворимости порошка.

Однако не ожидается, что увеличение средней длины волокна DIFI(50,3) будет сопровождаться увеличением среднего размера частиц. Увеличение обоих параметров вместе приведет к получению частиц, которые будут слишком большими, чтобы полностью раствориться в течение типичного 10-секундного времени перемешивания при механическом распылении.

Следовательно, идеальная гидроксиэтилметилцеллюлоза (HEMC) должна иметь больший средний диаметр волокна DIFI(50,3) при сохранении средней длины волокна LEFI(50,3). Мы используем новый процесс производства эфира целлюлозы для производства улучшенного HEMC. Форма частиц водорастворимого эфира целлюлозы, полученного в результате этого производственного процесса, полностью отличается от формы частиц целлюлозы, используемой в качестве сырья для производства. Другими словами, производственный процесс позволяет сделать форму частиц эфира целлюлозы независимой от сырья для его производства.

Три изображения сканирующего электронного микроскопа: одно — эфира целлюлозы, полученного по стандартному процессу, и одно — эфира целлюлозы, полученного по новому процессу, с большим диаметром DIFI (50,3), чем у обычных технологических инструментов. Также показана морфология тонкоизмельченной целлюлозы, используемой при производстве этих двух продуктов.

Сравнивая электронные микрофотографии целлюлозы и эфира целлюлозы, полученных стандартным способом, легко обнаружить, что они имеют схожие морфологические характеристики. Большое количество частиц на обоих изображениях обычно демонстрирует длинные и тонкие структуры, что позволяет предположить, что основные морфологические особенности не изменились даже после того, как произошла химическая реакция. Очевидно, что морфологические характеристики частиц продуктов реакции сильно коррелируют с сырьем.

Установлено, что морфологические характеристики эфира целлюлозы, полученного новым способом, существенно различаются, он имеет больший средний диаметр DIFI (50,3) и в основном представляет собой круглые короткие и толстые частицы, в то время как типичные тонкие и длинные частицы в целлюлозном сырье Практически исчезли.

Этот рисунок еще раз показывает, что морфология частиц эфиров целлюлозы, полученных с помощью нового процесса, больше не связана с морфологией целлюлозного сырья – связь между морфологией сырья и конечным продуктом больше не существует.

4. Влияние морфологии частиц ГЭМС на образование несмачиваемых сгустков в GSP.

GSP был протестирован в условиях полевого применения, чтобы подтвердить правильность нашей гипотезы о рабочем механизме (использование продукта на основе эфира целлюлозы с большим средним диаметром DIFI (50,3) уменьшит нежелательную агломерацию). В этих экспериментах использовались HEMC со средним диаметром DIFI(50,3) от 37 до 52 мкм. Чтобы свести к минимуму влияние других факторов, помимо морфологии частиц, основа гипсовой штукатурки и все другие добавки были сохранены без изменений. Вязкость эфира целлюлозы поддерживали постоянной во время испытания (60 000 мПа·с, 2% водный раствор, измеренная с помощью реометра HAAKE).

Для распыления в испытаниях по нанесению использовался коммерчески доступный распылитель гипса (PFT G4). Ориентируйтесь на оценку образования несмоченных комков гипсового раствора сразу после его нанесения на стену. Оценка комкования на этом этапе процесса нанесения штукатурки лучше всего выявит различия в характеристиках продукта. В ходе испытания опытные работники оценили ситуацию с комками: 1 — лучшая, 6 — худшая.

Результаты испытаний ясно показывают корреляцию между средним диаметром волокна DIFI (50,3) и показателем эффективности комкования. В соответствии с нашей гипотезой о том, что продукты из эфира целлюлозы с более крупным DIFI(50,3) превосходят более мелкие продукты DIFI(50,3), средний балл для DIFI(50,3) 52 мкм составил 2 (хорошо), в то время как продукты с DIFI( 50,3) 37 мкм и 40 мкм получили 5 баллов (неудачно).

Как мы и ожидали, поведение комков в приложениях GSP существенно зависит от среднего диаметра DIFI (50,3) используемого эфира целлюлозы. Более того, в предыдущем обсуждении упоминалось, что среди всех морфологических параметров DIFI(50,3) сильно влияет на время растворения порошков эфира целлюлозы. Это подтверждает, что время растворения эфира целлюлозы, которое сильно коррелирует с морфологией частиц, в конечном итоге влияет на образование комков в GSP. Больший DIFI (50,3) приводит к увеличению времени растворения порошка, что существенно снижает вероятность агломерации. Однако слишком длительное время растворения порошка затруднит полное растворение эфира целлюлозы за время перемешивания распылительного оборудования.

Новый продукт HEMC с оптимизированным профилем растворения благодаря большему среднему диаметру волокон DIFI(50,3) не только обеспечивает лучшее смачивание гипсового порошка (как видно из оценки комкования), но также не влияет на водоудерживающую способность продукт. Водоудержание, измеренное в соответствии с EN 459-2, было неотличимо от продуктов HEMC той же вязкости с DIFI(50,3) от 37 мкм до 52 мкм. Все измерения через 5 и 60 минут попадают в необходимый диапазон, показанный на графике.

Однако было также подтверждено, что если DIFI(50,3) становится слишком большим, частицы эфира целлюлозы больше не растворяются полностью. Это было обнаружено при тестировании продукта DIFI(50,3) с концентрацией 59 мкМ. Результаты теста на удержание воды через 5 минут и особенно через 60 минут не соответствуют требуемому минимуму.

5. Резюме

Эфиры целлюлозы являются важными добавками в рецептурах GSP. Исследования и разработки продуктов направлены на изучение корреляции между морфологией частиц эфиров целлюлозы и образованием несмачиваемых комков (так называемых комков) при механическом распылении. Он основан на предположении о механизме работы, согласно которому время растворения порошка эфира целлюлозы влияет на смачивание порошка гипса водой и, таким образом, влияет на образование комков.

Время растворения зависит от морфологии частиц эфира целлюлозы и может быть получено с помощью инструментов анализа цифровых изображений. В GSP эфиры целлюлозы с большим средним диаметром DIFI (50,3) обладают оптимизированными характеристиками растворения порошка, что дает воде больше времени для тщательного смачивания частиц гипса, что обеспечивает оптимальную защиту от агломерации. Этот тип эфира целлюлозы производится по новому производственному процессу, и форма его частиц не зависит от исходной формы сырья для производства.

Средний диаметр волокна DIFI (50,3) оказывает очень важное влияние на комкование, что было подтверждено добавлением этого продукта к имеющейся в продаже гипсовой основе, наносимой методом машинного напыления, для распыления на месте. Кроме того, эти полевые испытания распылением подтвердили результаты наших лабораторных исследований: продукты на основе эфиров целлюлозы с лучшими эксплуатационными характеристиками и большим DIFI (50,3) были полностью растворимы во временном интервале перемешивания GSP. Таким образом, продукт на основе эфира целлюлозы с лучшими противослеживающими свойствами после улучшения формы частиц все еще сохраняет первоначальные характеристики удержания воды.