Éter celulózy vo výrobkoch na báze cementu

Éter celulózy je druh viacúčelovej prísady, ktorá sa môže použiť v cementových výrobkoch. Tento článok predstavuje chemické vlastnosti metylcelulózy (MC) a hydroxypropylmetylcelulózy (HPMC /) bežne používaných v cementových výrobkoch, metódu a princíp čistého roztoku a hlavné charakteristiky roztoku. Pokles teploty a viskozity termálneho gélu v cementových výrobkoch bol diskutovaný na základe praktických výrobných skúseností.

kľúčové slová:éter celulózy; metylcelulóza;Hydroxypropylmetylcelulóza; Teplota horúceho gélu; viskozita

1. Prehľad

Éter celulózy (skrátene CE) sa vyrába z celulózy eterifikačnou reakciou jedného alebo viacerých éterifikačných činidiel a suchým mletím. CE možno rozdeliť na iónové a neiónové typy, medzi ktoré patrí neiónový typ CE kvôli svojim jedinečným vlastnostiam a rozpustnosti tepelného gélu, odolnosti voči soli, odolnosti voči teplu a má primeranú povrchovú aktivitu. Môže sa použiť ako činidlo zadržiavajúce vodu, suspenzné činidlo, emulgátor, filmotvorné činidlo, lubrikant, lepidlo a reologický zlepšovač. Hlavnými oblasťami zahraničnej spotreby sú latexové nátery, stavebné materiály, ropné vrty atď. V porovnaní so zahraničím je výroba a aplikácia vo vode rozpustného CE stále v plienkach. So zlepšením zdravia ľudí a environmentálneho povedomia. Veľký rozvoj bude mať vo vode rozpustný CE, ktorý je fyziologicky neškodný a neznečisťuje životné prostredie.

V oblasti stavebných materiálov sa zvyčajne volí CE metylcelulóza (MC) a hydroxypropylmetylcelulóza (HPMC), môžu sa použiť ako plastifikátor farieb, omietky, malty a cementových výrobkov, viskozifikátor, činidlo zadržiavajúce vodu, činidlo na zachytávanie vzduchu a retardačné činidlo. Väčšina priemyslu stavebných materiálov sa používa pri normálnej teplote, pričom sa používajú podmienky suchej zmesi prášku a vody, ktoré menej zahŕňajú charakteristiky rozpúšťania a charakteristiky horúceho gélu CE, ale pri mechanizovanej výrobe cementových výrobkov a iných špeciálnych teplotných podmienkach sú tieto charakteristiky CE bude hrať plnšiu úlohu.

2. Chemické vlastnosti CE

CE sa získava úpravou celulózy sériou chemických a fyzikálnych metód. Podľa odlišnej chemickej substitučnej štruktúry sa zvyčajne delí na: MC, HPMC, hydroxyetylcelulózu (HEC) atď. : Každý CE má základnú štruktúru celulózy – dehydratovanú glukózu. V procese výroby CE sa celulózové vlákna najskôr zahrievajú v alkalickom roztoku a potom sa spracujú s éterifikačnými činidlami. Vláknité reakčné produkty sa čistia a rozomieľajú na prášok, aby vytvorili jednotný prášok určitej jemnosti.

Výrobný proces MC používa ako éterifikačné činidlo iba metánchlorid. Okrem použitia metánchloridu sa pri výrobe HPMC používa aj propylénoxid na získanie hydroxypropylových substitučných skupín. Rôzne CE majú rôzne rýchlosti substitúcie metylu a hydroxypropylu, čo ovplyvňuje organickú kompatibilitu a teplotu tepelného gélu roztoku CE.

Počet substitučných skupín na dehydrovaných glukózových štruktúrnych jednotkách celulózy môže byť vyjadrený percentom hmotnosti alebo priemerným počtom substitučných skupín (tj DS – stupeň substitúcie). Počet substitučných skupín určuje vlastnosti CE produktov. Vplyv priemerného stupňa substitúcie na rozpustnosť produktov éterifikácie je nasledujúci:

(1) nízky stupeň substitúcie rozpustný v lúhu;

(2) mierne vysoký stupeň substitúcie rozpustný vo vode;

(3) vysoký stupeň substitúcie rozpustený v polárnych organických rozpúšťadlách;

(4) Vyšší stupeň substitúcie rozpustený v nepolárnych organických rozpúšťadlách.

3. Metóda rozpúšťania CE

CE má jedinečnú vlastnosť rozpustnosti, keď teplota stúpne na určitú teplotu, je nerozpustný vo vode, ale pod touto teplotou sa jeho rozpustnosť zvyšuje s poklesom teploty. CE je rozpustný v studenej vode (a v niektorých prípadoch v špecifických organických rozpúšťadlách) prostredníctvom procesu napučiavania a hydratácie. Roztoky CE nemajú zjavné obmedzenia rozpustnosti, ktoré sa objavujú pri rozpúšťaní iónových solí. Koncentrácia CE je vo všeobecnosti obmedzená na viskozitu, ktorú je možné riadiť výrobným zariadením, a tiež sa mení podľa viskozity a chemickej rozmanitosti požadovaných používateľom. Koncentrácia roztoku CE s nízkou viskozitou je vo všeobecnosti 10 % ~ 15 % a CE s vysokou viskozitou je všeobecne obmedzená na 2 % ~ 3 %. Rôzne typy CE (napríklad prášok alebo povrchovo upravený prášok alebo granule) môžu ovplyvniť spôsob prípravy roztoku.

3.1 CE bez povrchovej úpravy

Hoci je CE rozpustný v studenej vode, musí byť úplne dispergovaný vo vode, aby sa zabránilo zhlukovaniu. V niektorých prípadoch sa môže použiť vysokorýchlostný mixér alebo lievik v studenej vode na dispergovanie prášku CE. Ak sa však neošetrený prášok pridá priamo do studenej vody bez dostatočného miešania, vytvoria sa značné hrudky. Hlavným dôvodom spekania je, že častice prášku CE nie sú úplne mokré. Keď sa rozpustí len časť prášku, vytvorí sa gélový film, ktorý bráni tomu, aby sa zvyšný prášok ďalej rozpúšťal. Preto by sa CE častice mali pred rozpustením čo najviac rozptýliť. Bežne sa používajú nasledujúce dve disperzné metódy.

3.1.1 Metóda disperzie suchej zmesi

Táto metóda sa najčastejšie používa v cementových výrobkoch. Pred pridaním vody zmiešajte rovnomerne ďalší prášok s práškom CE, aby sa častice prášku CE rozptýlili. Minimálny pomer miešania: Iný prášok: CE prášok = (3 ~ 7) : 1.

Pri tejto metóde sa disperzia CE dokončí v suchom stave, pričom sa ako médium použije iný prášok na vzájomnú dispergáciu častíc CE, aby sa zabránilo vzájomnému spojeniu častíc CE pri pridávaní vody a ovplyvnení ďalšieho rozpúšťania. Preto na dispergovanie nie je potrebná horúca voda, ale rýchlosť rozpúšťania závisí od častíc prášku a podmienok miešania.

3.1.2 Metóda disperzie horúcou vodou

(1) Prvá 1/5~1/3 požadovaného ohrevu vody na 90 °C vyššie, pridajte CE a potom miešajte, kým sa všetky častice nerozptýli, a potom sa pridá zvyšná voda v studenej alebo ľadovej vode, aby sa znížila teplota Po dosiahnutí teploty rozpúšťania CE sa prášok začal hydratovať, viskozita sa zvýšila.

(2) Môžete tiež zahriať všetku vodu a potom pridať CE na miešanie počas chladenia, kým sa hydratácia nedokončí. Dostatočné chladenie je veľmi dôležité pre úplnú hydratáciu CE a tvorbu viskozity. Pre ideálnu viskozitu by mal byť roztok MC ochladený na 0 ~ 5 ° C, zatiaľ čo HPMC je potrebné ochladiť iba na 20 ~ 25 ° C alebo menej. Keďže úplná hydratácia vyžaduje dostatočné chladenie, roztoky HPMC sa bežne používajú tam, kde nie je možné použiť studenú vodu: podľa informácií má HPMC menšie zníženie teploty ako MC pri nižších teplotách, aby sa dosiahla rovnaká viskozita. Stojí za zmienku, že metóda disperzie horúcou vodou spôsobuje, že častice CE sa rovnomerne dispergujú pri vyššej teplote, ale v tomto čase sa nevytvára žiadny roztok. Aby sa získal roztok s určitou viskozitou, musí sa znova ochladiť.

3.2 Povrchovo upravený dispergovateľný CE prášok

V mnohých prípadoch sa vyžaduje, aby CE mal dispergovateľné aj rýchle hydratačné (tvoriace viskozitu) vlastnosti v studenej vode. Povrchovo upravený CE je po špeciálnej chemickej úprave dočasne nerozpustný v studenej vode, čo zaisťuje, že keď sa CE pridá do vody, nevytvorí okamžite zjavnú viskozitu a môže sa rozptýliť za podmienok relatívne malej šmykovej sily. „Doba oneskorenia“ hydratácie alebo tvorby viskozity je výsledkom kombinácie stupňa povrchovej úpravy, teploty, pH systému a koncentrácie roztoku CE. Oneskorenie hydratácie sa vo všeobecnosti znižuje pri vyšších koncentráciách, teplotách a úrovniach pH. Vo všeobecnosti sa však koncentrácia CE neuvažuje, kým nedosiahne 5 % (hmotnostný pomer vody).

Na dosiahnutie najlepších výsledkov a úplnej hydratácie by sa mal povrchovo upravený CE miešať niekoľko minút v neutrálnych podmienkach s pH v rozmedzí od 8,5 do 9,0, kým sa nedosiahne maximálna viskozita (zvyčajne 10-30 minút). Akonáhle sa pH zmení na zásadité (pH 8,5 až 9,0), povrchovo upravený CE sa úplne a rýchlo rozpustí a roztok môže byť stabilný pri pH 3 až 11. Je však dôležité poznamenať, že úprava pH suspenzie s vysokou koncentráciou spôsobí, že viskozita bude príliš vysoká na čerpanie a nalievanie. Hodnota pH by sa mala upraviť po zriedení suspenzie na požadovanú koncentráciu.

Stručne povedané, proces rozpúšťania CE zahŕňa dva procesy: fyzikálnu disperziu a chemické rozpúšťanie. Kľúčom je dispergovať častice CE medzi sebou pred rozpustením, aby sa predišlo aglomerácii v dôsledku vysokej viskozity počas rozpúšťania pri nízkej teplote, čo ovplyvní ďalšie rozpúšťanie.

4. Vlastnosti roztoku CE

Rôzne druhy CE vodných roztokov budú gélovať pri ich špecifických teplotách. Gél je úplne reverzibilný a po opätovnom ochladení vytvára roztok. Reverzibilná tepelná gelácia CE je jedinečná. V mnohých cementových výrobkoch má hlavné použitie viskozity CE a zodpovedajúcich vlastností zadržiavania vody a lubrikácie a viskozity a teploty gélu priamy vzťah, pod teplotou gélu, čím nižšia je teplota, tým vyššia je viskozita CE, tým lepšia je zodpovedajúca schopnosť zadržiavania vody.

Súčasné vysvetlenie fenoménu gélu je toto: v procese rozpúšťania je to podobné

Molekuly polyméru vlákna sa spájajú s molekulárnou vrstvou vody, čo vedie k napučaniu. Molekuly vody pôsobia ako mazací olej, ktorý dokáže roztiahnuť dlhé reťazce molekúl polyméru, takže roztok má vlastnosti viskóznej tekutiny, ktorá sa ľahko vylieva. Keď sa teplota roztoku zvyšuje, celulózový polymér postupne stráca vodu a viskozita roztoku klesá. Keď sa dosiahne bod gélu, polymér sa úplne dehydratuje, čo vedie k prepojeniu medzi polymérmi a vytvoreniu gélu: pevnosť gélu sa neustále zvyšuje, keď teplota zostáva nad bodom gélu.

Keď sa roztok ochladí, gél sa začne obracať a viskozita sa zníži. Nakoniec sa viskozita chladiaceho roztoku vráti k počiatočnej krivke nárastu teploty a zvyšuje sa s poklesom teploty. Roztok sa môže ochladiť na svoju počiatočnú hodnotu viskozity. Preto je proces tepelného gélu CE reverzibilný.

Hlavná úloha CE v cementových výrobkoch je ako viskozifikátor, zmäkčovadlo a činidlo na zadržiavanie vody, takže ako riadiť viskozitu a teplotu gélu sa stalo dôležitým faktorom v cementových výrobkoch, zvyčajne používa svoj počiatočný bod teploty gélu pod časťou krivky, takže čím nižšia teplota, tým vyššia viskozita, tým zreteľnejší je účinok zadržiavania vody vo viskozifikátore. Výsledky testov linky na výrobu extrúznych cementových dosiek tiež ukazujú, že čím nižšia je teplota materiálu pod rovnakým obsahom CE, tým lepší je účinok viskozity a zadržiavania vody. Keďže cementový systém je mimoriadne zložitý systém fyzikálnych a chemických vlastností, existuje veľa faktorov, ktoré ovplyvňujú zmenu teploty a viskozity CE gélu. A vplyv rôznych trendov a stupňov Taianinu nie je rovnaký, takže praktická aplikácia tiež zistila, že po zmiešaní cementového systému je skutočný teplotný bod gélu CE (to znamená, že účinok zadržiavania lepidla a vody je pri tejto teplote veľmi zrejmý). ) sú nižšie ako teplota gélu udávaná produktom, preto pri výbere CE produktov berte do úvahy faktory spôsobujúce pokles teploty gélu. Nasledujú hlavné faktory, ktoré podľa nás ovplyvňujú viskozitu a teplotu gélu CE roztoku v cementových výrobkoch.

4.1 Vplyv hodnoty pH na viskozitu

MC a HPMC sú neiónové, takže viskozita roztoku ako viskozita prírodného iónového lepidla má širší rozsah stability DH, ale ak hodnota pH presiahne rozsah 3 ~ 11, postupne znížia viskozitu pri vyššej teplote alebo pri dlhodobom skladovaní, najmä v roztoku s vysokou viskozitou. Viskozita roztoku CE produktu klesá v roztoku silnej kyseliny alebo silnej zásady, čo je spôsobené hlavne dehydratáciou CE spôsobenou zásadou a kyselinou. Viskozita CE preto v alkalickom prostredí cementových výrobkov zvyčajne do určitej miery klesá.

4.2 Vplyv rýchlosti zahrievania a miešania na proces gélu

Teplota bodu gélovatenia bude ovplyvnená kombinovaným účinkom rýchlosti zahrievania a šmykovej rýchlosti miešania. Vysokorýchlostné miešanie a rýchle zahrievanie vo všeobecnosti výrazne zvýšia teplotu gélu, čo je priaznivé pre cementové produkty vytvorené mechanickým miešaním.

4.3 Vplyv koncentrácie na horúci gél

Zvýšenie koncentrácie roztoku zvyčajne znižuje teplotu gélu a body gélu s nízkou viskozitou CE sú vyššie ako body s vysokou viskozitou CE. Ako napríklad DOW METHOCEL A

Teplota gélu sa zníži o 10 °C na každé 2 % zvýšenie koncentrácie produktu. 2% zvýšenie koncentrácie produktov typu F zníži teplotu gélu o 4 °C.

4.4 Vplyv aditív na tepelnú želatináciu

V oblasti stavebných materiálov sú mnohé materiály anorganické soli, ktoré budú mať významný vplyv na teplotu gélu roztoku CE. V závislosti od toho, či prísada pôsobí ako koagulant alebo solubilizačné činidlo, niektoré prísady môžu zvýšiť teplotu tepelného gélu CE, zatiaľ čo iné môžu znížiť teplotu tepelného gélu CE: napríklad etanol zvyšujúci rozpúšťadlo, PEG-400 (polyetylénglykol) , anediol atď., môže zvýšiť bod gélu. Soli, glycerín, sorbitol a ďalšie látky znížia bod gélovatenia, neiónové CE sa vo všeobecnosti nebudú vyzrážať v dôsledku polyvalentných kovových iónov, ale keď koncentrácia elektrolytu alebo iných rozpustených látok prekročí určitú hranicu, CE produkty sa môžu vysoliť. roztoku, je to spôsobené konkurenciou elektrolytov s vodou, čo vedie k zníženiu hydratácie CE, Obsah soli v roztoku CE produktu je vo všeobecnosti o niečo vyšší ako v produkte Mc a obsah soli je mierne odlišný v rôznych HPMC.

Mnohé zložky v cementových výrobkoch spôsobia, že bod gélu CE klesne, takže výber prísad by mal brať do úvahy, že to môže spôsobiť zmeny bodu gélu a viskozity CE.

5.Záver

(1) éter celulózy je prírodná celulóza prostredníctvom eterifikačnej reakcie, má základnú štruktúrnu jednotku dehydrovanej glukózy podľa typu a počtu substitučných skupín v polohe nahradenia a má rôzne vlastnosti. Neiónový éter, ako je MC a HPMC, sa môže použiť ako viskozifikátor, činidlo na zadržiavanie vody, činidlo na zachytávanie vzduchu a iné široko používané v produktoch stavebných materiálov.

(2) CE má jedinečnú rozpustnosť, tvorí roztok pri určitej teplote (ako je teplota gélu) a vytvára pevný gél alebo zmes tuhých častíc pri teplote gélu. Hlavnými metódami rozpúšťania sú disperzná metóda suchého miešania, metóda disperzie horúcou vodou atď., V cementových výrobkoch sa bežne používa metóda disperzie suchého miešania. Kľúčom je rovnomerné rozptýlenie CE predtým, ako sa rozpustí, čím sa vytvorí roztok pri nízkych teplotách.

(3) Koncentrácia roztoku, teplota, hodnota pH, chemické vlastnosti prísad a rýchlosť miešania ovplyvnia teplotu gélu a viskozitu roztoku CE, najmä cementové produkty sú roztoky anorganických solí v alkalickom prostredí, zvyčajne znižujú teplotu gélu a viskozitu roztoku CE. , prinášajúce nepriaznivé účinky. Preto by sa podľa charakteristík CE mal po prvé používať pri nízkej teplote (pod teplotou gélu) a po druhé by sa mal brať do úvahy vplyv prísad.