Влияние температуры окружающей среды на удобоукладываемость гипса, модифицированного эфиром целлюлозы

Характеристики гипса, модифицированного эфиром целлюлозы, при различных температурах окружающей среды сильно различаются, но механизм этого не ясен. Изучено влияние эфира целлюлозы на реологические параметры и водоудержание гипсового раствора при различных температурах окружающей среды. Методом динамического светорассеяния измерен гидродинамический диаметр эфира целлюлозы в жидкой фазе и исследован механизм влияния. Результаты показывают, что эфир целлюлозы оказывает хорошее водоудерживающее и загущающее действие на гипс. С увеличением содержания эфира целлюлозы увеличивается вязкость суспензии и увеличивается водоудерживающая способность. Однако с повышением температуры водоудерживающая способность модифицированного гипсового раствора в определенной степени снижается, а также изменяются реологические параметры. Учитывая, что коллоидная ассоциация эфира целлюлозы может достигать удержания воды за счет блокирования канала транспортировки воды, повышение температуры может привести к распаду ассоциации большого объема, образованной эфиром целлюлозы, тем самым снижая водоудержание и рабочие характеристики модифицированного гипса.

Ключевые слова:гипс; Эфир целлюлозы; Температура; Задержка воды; реология

0. Введение

Гипс, как экологически чистый материал с хорошими строительными и физическими свойствами, широко используется в отделочных работах. При применении материалов на основе гипса водоудерживающий агент обычно добавляют для модификации суспензии, чтобы предотвратить потерю воды в процессе гидратации и затвердевания. Эфир целлюлозы в настоящее время является наиболее распространенным водоудерживающим агентом. Поскольку ионный CE будет реагировать с Ca2+, часто используют неионный CE, такой как эфир гидроксипропилметилцеллюлозы, эфир гидроксиэтилметилцеллюлозы и эфир метилцеллюлозы. Важно изучить свойства гипса, модифицированного эфиром целлюлозы, для лучшего применения гипса в декоративной технике.

Эфир целлюлозы представляет собой высокомолекулярное соединение, получаемое в результате реакции щелочной целлюлозы и этерифицирующего агента в определенных условиях. Неионогенный эфир целлюлозы, используемый в строительной технике, обладает хорошими дисперсионными, водоудерживающими, связующими и загущающими свойствами. Добавление эфира целлюлозы оказывает весьма очевидное влияние на водоудержание гипса, но прочность на изгиб и сжатие затвердевшего гипса также несколько снижается с увеличением количества добавки. Это связано с тем, что эфир целлюлозы обладает определенным воздухововлекающим действием, что приводит к появлению пузырьков в процессе перемешивания суспензии, что снижает механические свойства затвердевшего тела. В то же время слишком большое количество эфира целлюлозы сделает гипсовую смесь слишком липкой, что приведет к ухудшению ее строительных характеристик.

Процесс гидратации гипса можно разделить на четыре стадии: растворение полугидрата сульфата кальция, зарождение кристаллизации дигидрата сульфата кальция, рост кристаллического ядра и образование кристаллической структуры. В процессе гидратации гипса гидрофильная функциональная группа эфира целлюлозы, адсорбирующаяся на поверхности частиц гипса, фиксирует часть молекул воды, тем самым замедляя процесс зарождения гидратации гипса и продлевая время схватывания гипса. Путем наблюдения с помощью СЭМ Мроз обнаружил, что хотя присутствие эфира целлюлозы и замедляет рост кристаллов, но увеличивает перекрытие и агрегацию кристаллов.

Эфир целлюлозы содержит гидрофильные группы, поэтому он обладает определенной гидрофильностью, длинные цепи полимера соединяются друг с другом, так что он имеет высокую вязкость. Взаимодействие этих двух веществ обеспечивает хорошее водоудерживающее загущающее действие на гипсовую смесь. Булихен объяснил механизм удержания воды эфиром целлюлозы в цементе. При слабом перемешивании эфир целлюлозы адсорбируется на цементе для внутримолекулярного водопоглощения и сопровождается набуханием для достижения водоудержания. В это время удержание воды плохое. В высоких дозах эфир целлюлозы образует коллоидный полимер размером от сотен нанометров до нескольких микрон, эффективно блокируя гелевую систему в отверстии и обеспечивая эффективное удержание воды. Механизм действия эфира целлюлозы в гипсе такой же, как и в цементе, но более высокая концентрация SO42- в жидкой фазе гипсового раствора ослабляет водоудерживающее действие целлюлозы.

Основываясь на вышеизложенном, можно сделать вывод, что текущие исследования гипса, модифицированного эфиром целлюлозы, в основном сосредоточены на процессе гидратации эфира целлюлозы в гипсовой смеси, свойствах удержания воды, механических свойствах и микроструктуре затвердевшего тела, а также механизме образования эфира целлюлозы. удержание воды. Однако исследования взаимодействия эфира целлюлозы и гипсовой суспензии при высокой температуре пока недостаточны. Водный раствор эфира целлюлозы желатинизируется при определенной температуре. По мере повышения температуры вязкость водного раствора эфира целлюлозы будет постепенно уменьшаться. При достижении температуры желатинизации эфир целлюлозы выпадет в осадок в виде белого геля. Например, в дачном строительстве температура окружающей среды высокая, термогелевые свойства эфира целлюлозы не могут не привести к изменению удобоукладываемости модифицированного гипсового раствора. В этой работе посредством систематических экспериментов исследуется влияние повышения температуры на обрабатываемость гипсового материала, модифицированного эфиром целлюлозы, и предоставляются рекомендации по практическому применению гипса, модифицированного эфиром целлюлозы.

1. Экспериментируйте

1.1 Сырье

Гипс — это натуральный строительный гипс β-типа, производимый компанией Beijing Ecoological Home Group.

Эфир целлюлозы, выбранный из эфира гидроксипропилметилцеллюлозы Shandong Yiteng Group, характеристики продукта для 75 000 мПа·с, 100 000 мПа·с и 200 000 мПа·с, температура гелеобразования выше 60 ℃. В качестве замедлителя гипсования была выбрана лимонная кислота.

1.2 Испытание на реологию

В качестве прибора для реологических испытаний использовался реометр RST⁃CC производства BROOKFIELD USA. Реологические параметры, такие как пластическая вязкость и предел текучести при сдвиге гипсовой суспензии, определяли с помощью контейнера для образцов MBT⁃40F⁃0046 и ротора CC3⁃40, а данные обрабатывали с помощью программного обеспечения RHE3000.

Характеристики гипсовой смеси соответствуют реологическому поведению жидкости Бингама, которое обычно изучают с помощью модели Бингама. Однако из-за псевдопластичности эфира целлюлозы, добавленного к модифицированному полимером гипсу, суспензионная смесь обычно обладает определенным свойством разжижения при сдвиге. В этом случае модифицированная модель Бингама (M⁃B) может лучше описать реологическую кривую гипса. Для изучения сдвиговой деформации гипса в этой работе также используется модель Гершеля-Балкли (H⁃B).

1.3 Испытание на удержание воды

Процедура испытаний приведена в документе GB/T28627⁃2012 «Штуковая штукатурка». Во время эксперимента с температурой в качестве переменной гипс предварительно нагревался за 1 час до соответствующей температуры в печи, а смешанная вода, использованная в эксперименте, предварительно нагревалась в течение 1 часа при соответствующей температуре на водяной бане с постоянной температурой, и использовался прибор. был предварительно нагрет.

1.4 Гидродинамическое испытание диаметра

Гидродинамический диаметр (D50) ассоциации полимеров ГПМЦ в жидкой фазе измеряли с использованием анализатора размера частиц с динамическим светорассеянием (Malvern Zetasizer NanoZS90).

2. Результаты и обсуждение.

2.1 Реологические свойства модифицированного гипса ГПМЦ

Кажущаяся вязкость представляет собой отношение напряжения сдвига к скорости сдвига, действующего на жидкость, и является параметром, характеризующим поток неньютоновских жидкостей. Кажущаяся вязкость модифицированной гипсовой суспензии менялась в зависимости от содержания эфира целлюлозы при трех различных спецификациях (75 000 мПа·с, 100 000 мПа·с и 200 000 мПа·с). Температура испытания составила 20 ℃. Когда скорость сдвига реометра составляет 14 мин-1, можно обнаружить, что вязкость гипсовой суспензии увеличивается с увеличением введения ГПМЦ, и чем выше вязкость ГПМЦ, тем выше будет вязкость модифицированной гипсовой суспензии. Это указывает на то, что ГПМЦ оказывает очевидный эффект загущения и вязкости гипсовой суспензии. Гипсовый раствор и эфир целлюлозы являются веществами, обладающими определенной вязкостью. В модифицированной гипсовой смеси эфир целлюлозы адсорбируется на поверхности продуктов гидратации гипса, а сетка, образованная эфиром целлюлозы, и сетка, образованная гипсовой смесью, переплетаются, что приводит к «эффекту суперпозиции», что значительно улучшает общую вязкость гипса. модифицированный материал на основе гипса.

Кривые сдвига ⁃ напряжения для пасты из чистого гипса (G⁃H) и модифицированного гипса (G⁃H), легированного ГПМЦ с давлением 75000 мПа·с, по данным пересмотренной модели Бингама (M⁃B). Можно обнаружить, что с увеличением скорости сдвига увеличивается и напряжение сдвига смеси. Получены значения пластической вязкости (ηp) и напряжения сдвига (τ0) чистого гипса и гипса, модифицированного ГПМЦ, при различных температурах.

Из значений пластической вязкости (ηp) и напряжения сдвига (τ0) чистого гипса и гипса, модифицированного ГПМЦ, при различных температурах видно, что предел текучести гипса, модифицированного ГПМЦ, будет непрерывно уменьшаться с повышением температуры, а текучесть стресс уменьшится на 33% при 60 ℃ по сравнению с 20 ℃. Наблюдая за кривой пластической вязкости, можно обнаружить, что пластическая вязкость модифицированного гипсового раствора также снижается с повышением температуры. Однако предел текучести и пластическая вязкость чистого гипсового раствора незначительно увеличиваются с повышением температуры, что указывает на то, что изменение реологических параметров гипсового раствора, модифицированного ГПМЦ, в процессе повышения температуры вызвано изменением свойств ГПМЦ.

Значение предела текучести гипсовой суспензии отражает максимальное значение напряжения сдвига, когда суспензия сопротивляется деформации сдвига. Чем больше значение предела текучести, тем более стабильной может быть гипсовая суспензия. Пластическая вязкость отражает скорость деформации гипсового раствора. Чем больше пластическая вязкость, тем дольше будет время сдвиговой деформации суспензии. В заключение следует отметить, что два реологических параметра гипсовой суспензии, модифицированной ГПМЦ, очевидно уменьшаются с повышением температуры, а загущающее действие ГПМЦ на гипсовую суспензию ослабляется.

Сдвиговая деформация суспензии относится к эффекту утолщения или утончения при сдвиге, отражаемому суспензией при воздействии сдвигающей силы. О эффекте сдвиговой деформации суспензии можно судить по показателю псевдопластичности n, полученному из аппроксимационной кривой. Когда n < 1, гипсовая суспензия демонстрирует утончение при сдвиге, а степень утончения гипсовой суспензии при сдвиге становится выше с уменьшением n. Когда n > 1, гипсовая суспензия демонстрировала утолщение при сдвиге, а степень утолщения гипсовой суспензии при сдвиге увеличивалась с увеличением n. Реологические кривые гипсовой суспензии, модифицированной ГПМЦ, при различных температурах, основанные на модели Гершеля-Балкли (H⁃B), таким образом, получают индекс псевдопластичности n гипсовой суспензии, модифицированной ГПМЦ.

В соответствии с индексом псевдопластичности n гипсовой суспензии, модифицированной ГПМЦ, сдвиговая деформация гипсовой суспензии, смешанной с ГПМЦ, представляет собой утончение при сдвиге, и значение n постепенно увеличивается с увеличением температуры, что указывает на то, что поведение гипса, модифицированного ГПМЦ, при утончении при сдвиге будет в определенной степени ослабляться под воздействием температуры.

Основываясь на изменениях кажущейся вязкости модифицированной гипсовой суспензии при скорости сдвига, рассчитанной на основе данных о напряжении сдвига 75 000 мПа·ГПМЦ при различных температурах, можно обнаружить, что пластическая вязкость модифицированной гипсовой суспензии быстро снижается с увеличением скорости сдвига. который проверяет результат подгонки модели H⁃B. Модифицированная гипсовая суспензия показала характеристики утончения при сдвиге. С повышением температуры кажущаяся вязкость смеси в определенной степени снижается при низкой скорости сдвига, что указывает на то, что эффект разжижения модифицированного гипсового раствора при сдвиге ослабляется.

При фактическом использовании гипсовой замазки гипсовая суспензия должна легко деформироваться в процессе трения и оставаться стабильной в состоянии покоя, что требует, чтобы гипсовая суспензия имела хорошие характеристики разжижения при сдвиге, а изменение при сдвиге гипса, модифицированного ГПМЦ, встречается редко. определенной степени, что не способствует строительству гипсовых материалов. Вязкость ГПМЦ является одним из важных параметров, а также основной причиной того, что она играет роль загустителя для улучшения переменных характеристик смешивающего потока. Сам эфир целлюлозы обладает свойствами горячего геля, вязкость его водного раствора постепенно снижается с повышением температуры, а при достижении температуры гелеобразования выпадает в осадок белый гель. Изменение реологических параметров гипса, модифицированного эфиром целлюлозы, с температурой тесно связано с изменением вязкости, поскольку эффект загущения является результатом суперпозиции эфира целлюлозы и смешанной суспензии. В практической инженерии следует учитывать влияние температуры окружающей среды на производительность HPMC. Например, летом необходимо контролировать температуру сырья, чтобы избежать ухудшения рабочих характеристик модифицированного гипса, вызванного высокой температурой.

2.2 Удержание водымодифицированный гипс HPMC

Водоудержание гипсовой суспензии, модифицированной эфиром целлюлозы трех различных спецификаций, изменяется в зависимости от кривой дозировки. С увеличением дозировки ГПМЦ степень удержания воды в гипсовой суспензии значительно улучшается, и тенденция увеличения становится стабильной, когда дозировка ГПМЦ достигает 0,3%. Наконец, степень удержания воды в гипсовой суспензии стабильна на уровне 90–95%. Это указывает на то, что ГПМЦ оказывает очевидный водоудерживающий эффект на пасту из каменной пасты, но водоудерживающий эффект существенно не улучшается по мере дальнейшего увеличения дозировки. Разница в степени удержания воды в трех спецификациях HPMC невелика, например, когда содержание составляет 0,3%, диапазон скорости удержания воды составляет 5%, стандартное отклонение составляет 2,2. ГПМЦ с самой высокой вязкостью не имеет самой высокой степени удержания воды, а ГПМЦ с самой низкой вязкостью не имеет самой низкой степени удержания воды. Однако по сравнению с чистым гипсом степень удержания воды трех ГПМЦ для гипсовой суспензии значительно улучшается, а степень удержания воды модифицированного гипса с содержанием 0,3% увеличивается на 95%, 106%, 97% по сравнению с пустая контрольная группа. Эфир целлюлозы, очевидно, может улучшить удержание воды в гипсовой суспензии. С увеличением содержания ГПМЦ степень удержания воды в гипсовой суспензии, модифицированной ГПМЦ, с различной вязкостью постепенно достигает точки насыщения. HPMC при 10 000 мПа·с достиг точки насыщения при 0,3%, HPMC при 75 000 мПа·с и 20 000 мПа·с достиг точки насыщения при 0,2%. Результаты показывают, что водоудержание гипса, модифицированного ГПМЦ с давлением 75 000 мПа·с, изменяется в зависимости от температуры при различных дозировках. С понижением температуры степень удержания воды модифицированного гипса ГПМЦ постепенно снижается, в то время как степень удержания воды чистого гипса в основном остается неизменной, что указывает на то, что повышение температуры ослабляет эффект удержания воды ГПМЦ на гипсе. Степень удержания воды ГПМЦ снизилась на 31,5% при повышении температуры с 20 ℃ до 40 ℃. Когда температура повышается с 40 ℃ до 60 ℃, степень удержания воды модифицированного гипса ГПМЦ в основном такая же, как и у чистого гипса, что указывает на то, что ГПМЦ утратил эффект улучшения водоудержания гипса в это время. Цзянь Цзянь и Ван Пеймин предположили, что эфир целлюлозы сам по себе обладает явлением термогеля, изменение температуры приведет к изменениям вязкости, морфологии и адсорбции эфира целлюлозы, что обязательно приведет к изменениям в характеристиках суспензионной смеси. Булихен также обнаружил, что динамическая вязкость цементных растворов, содержащих ГПМЦ, снижается с повышением температуры.

Изменение водоудержания смеси, вызванное повышением температуры, следует сочетать с механизмом эфира целлюлозы. Булихен объяснил механизм, с помощью которого эфир целлюлозы может удерживать воду в цементе. В системах на основе цемента HPMC улучшает степень удержания воды в растворе за счет снижения проницаемости «фильтрационной корки», образуемой системой цементирования. Определенная концентрация ГПМЦ в жидкой фазе образует коллоидную ассоциацию размером от нескольких сотен нанометров до нескольких микрон. Полимерная структура определенного объема может эффективно закупоривать канал пропускания воды в смеси, уменьшать проницаемость «фильтрационной корки», для достижения эффективного удержания воды. Булихен также показал, что HPMCS в гипсе демонстрирует тот же механизм. Следовательно, изучение гидромеханического диаметра ассоциации, образуемой ГПМЦ в жидкой фазе, может объяснить влияние ГПМЦ на водоудержание гипса.

2.3. Гидродинамический диаметр коллоидной ассоциации ГПМЦ

Кривые распределения частиц ГПМЦ при различных концентрациях 75000 мПа·с в жидкой фазе и кривые распределения частиц трех спецификаций ГПМЦ в жидкой фазе при концентрации 0,6%. Из кривой распределения частиц ГПМЦ трех спецификаций в жидкой фазе при концентрации 0,6% видно, что с увеличением концентрации ГПМЦ увеличивается и размер частиц ассоциированных соединений, образующихся в жидкой фазе. Когда концентрация низкая, частицы, образующиеся в результате агрегации ГПМЦ, малы, и только небольшая часть ГПМЦ агрегируется в частицы размером около 100 нм. При концентрации ГПМЦ 1% наблюдается большое количество коллоидных ассоциаций с гидродинамическим диаметром около 300 нм, что является важным признаком молекулярного перекрытия. Эта полимеризационная структура «большого объема» может эффективно блокировать канал пропускания воды в смеси, снижать «проницаемость кека», а соответствующее водоудержание гипсовой смеси при этой концентрации также превышает 90%. Гидромеханические диаметры ГПМЦ с разной вязкостью в жидкой фазе в основном одинаковы, что объясняет одинаковую степень водоудержания модифицированного гипса ГПМЦ с разной вязкостью.

Кривые распределения частиц по размерам для ГПМЦ 75000 мПа·с с концентрацией 1% при различных температурах. С повышением температуры очевидно можно обнаружить разложение коллоидной ассоциации ГПМЦ. При 40 ℃ большой объем ассоциаций размером 300 нм полностью исчез и разложился на частицы небольшого объема размером 15 нм. При дальнейшем повышении температуры частицы ГПМЦ становятся мельче, и водоудерживающая способность гипсового раствора полностью теряется.

Явление изменения свойств ГПМЦ с повышением температуры также известно как свойства горячего геля. Существующее общее мнение состоит в том, что при низкой температуре макромолекулы ГПМЦ сначала диспергируются в воде для растворения раствора, молекулы ГПМЦ в высокой концентрации образуют ассоциацию крупных частиц. . При повышении температуры гидратация ГПМЦ ослабляется, вода между цепями постепенно выводится, крупные ассоциативные соединения постепенно диспергируются на мелкие частицы, вязкость раствора снижается, а при гелеобразовании формируется трехмерная сетчатая структура. температура достигается, и белый гель выпадает в осадок.

Бодвик обнаружил, что микроструктура и адсорбционные свойства ГПМЦ в жидкой фазе изменились. В сочетании с теорией Булихена о коллоидной ассоциации HPMC, блокирующей канал транспортировки воды в суспензии, был сделан вывод, что повышение температуры приводит к распаду коллоидной ассоциации HPMC, что приводит к уменьшению удержания воды в модифицированном гипсе.

3. Заключение

(1) Эфир целлюлозы сам по себе обладает высокой вязкостью и эффектом «наложения» на гипсовую суспензию, оказывая очевидный эффект загущения. При комнатной температуре эффект загущения становится более очевидным с увеличением вязкости и дозировки эфира целлюлозы. Однако с повышением температуры вязкость эфира целлюлозы снижается, ослабевает его загущающее действие, снижается предел текучести сдвига и пластическая вязкость гипсовой смеси, ослабевает псевдопластичность, ухудшаются строительные свойства.

(2) Эфир целлюлозы улучшил удержание воды в гипсе, но с повышением температуры удержание воды в модифицированном гипсе также значительно уменьшилось, даже при 60 ℃ эффект удержания воды полностью потеряется. Скорость удержания воды в гипсовой суспензии была значительно улучшена за счет эфира целлюлозы, а степень удержания воды в гипсовой суспензии, модифицированной ГПМЦ, с различной вязкостью постепенно достигала точки насыщения с увеличением дозировки. Водоудержание гипса обычно пропорционально вязкости эфира целлюлозы, при высокой вязкости оно мало влияет.

(3) Внутренние факторы, которые изменяют удержание воды эфиром целлюлозы в зависимости от температуры, тесно связаны с микроскопической морфологией эфира целлюлозы в жидкой фазе. При определенной концентрации эфир целлюлозы имеет тенденцию агрегировать с образованием крупных коллоидных ассоциаций, блокируя канал транспорта воды гипсовой смеси для достижения высокого водоудержания. Однако с повышением температуры из-за свойства термического гелеобразования самого эфира целлюлозы ранее образовавшаяся крупная коллоидная ассоциация редиспергируется, что приводит к снижению водоудерживающей способности.