Vplyv okolitej teploty na spracovateľnosť sadry modifikovanej éterom celulózy

Výkon sadry modifikovanej celulózovým éterom pri rôznych teplotách okolia je veľmi odlišný, ale jeho mechanizmus nie je jasný. Študovali sa účinky éteru celulózy na reologické parametre a zadržiavanie vody v sadrovej kaši pri rôznych teplotách okolia. Hydrodynamický priemer éteru celulózy v kvapalnej fáze sa meral metódou dynamického rozptylu svetla a skúmal sa mechanizmus vplyvu. Výsledky ukazujú, že éter celulózy má dobrý účinok na zadržiavanie vody a zahusťovanie sadry. So zvyšujúcim sa obsahom éteru celulózy sa zvyšuje viskozita kalu a zvyšuje sa schopnosť zadržiavať vodu. So zvyšovaním teploty však do určitej miery klesá schopnosť zadržiavania vody modifikovanej sadrovej kaše a menia sa aj reologické parametre. Vzhľadom na to, že koloidná asociácia éteru celulózy môže dosiahnuť zadržiavanie vody zablokovaním kanála na transport vody, zvýšenie teploty môže viesť k rozpadu asociácie veľkého objemu produkovaného éterom celulózy, čím sa zníži zadržiavanie vody a pracovný výkon modifikovanej sadry.

kľúčové slová:sadra; éter celulózy; teplota; Zadržiavanie vody; reológia

0. Úvod

Sadra, ako druh materiálu šetrného k životnému prostrediu s dobrými konštrukčnými a fyzikálnymi vlastnosťami, je široko používaná v dekoračných projektoch. Pri aplikácii materiálov na báze sadry sa zvyčajne pridáva činidlo zadržiavajúce vodu, aby sa upravila kaša, aby sa zabránilo strate vody v procese hydratácie a tvrdnutia. Éter celulózy je v súčasnosti najbežnejším činidlom zadržiavajúcim vodu. Pretože iónový CE bude reagovať s Ca2+, často používajte neiónový CE, ako napríklad: éter hydroxypropylmetylcelulózy, éter hydroxyetylmetylcelulózy a éter metylcelulózy. Pre lepšiu aplikáciu sadry v dekoračnom inžinierstve je dôležité študovať vlastnosti sadry modifikovanej celulózovým éterom.

Éter celulózy je vysokomolekulárna zlúčenina produkovaná reakciou alkalickej celulózy a éterifikačného činidla za určitých podmienok. Neiónový éter celulózy používaný v stavebníctve má dobrú disperziu, zadržiavanie vody, lepenie a zahusťovanie. Prídavok éteru celulózy má veľmi zrejmý vplyv na zadržiavanie vody v sadre, ale pevnosť v ohybe a tlaku sadrového tvrdeného telesa tiež mierne klesá so zvyšujúcim sa množstvom prídavku. Je to preto, že éter celulózy má určitý účinok na strhávanie vzduchu, ktorý vnáša bubliny do procesu miešania kaše, čím sa znižujú mechanické vlastnosti tvrdeného telesa. Príliš veľa éteru celulózy zároveň spôsobí, že sadrová zmes bude príliš lepkavá, čo bude mať za následok jej konštrukčný výkon.

Proces hydratácie sadry možno rozdeliť do štyroch krokov: rozpustenie hemihydrátu síranu vápenatého, kryštalizačná nukleácia dihydrátu síranu vápenatého, rast kryštalického jadra a tvorba kryštalickej štruktúry. V procese hydratácie sadry hydrofilná funkčná skupina éteru celulózy adsorbujúca sa na povrchu častíc sadry fixuje časť molekúl vody, čím sa oneskorí nukleačný proces hydratácie sadry a predĺži sa čas tuhnutia sadry. Prostredníctvom pozorovania SEM Mroz zistil, že hoci prítomnosť éteru celulózy oneskorila rast kryštálov, zvýšila sa prekrytie a agregácia kryštálov.

Éter celulózy obsahuje hydrofilné skupiny, takže má určitú hydrofilnosť, polymérny dlhý reťazec sa navzájom spája, takže má vysokú viskozitu, interakcia týchto dvoch spôsobuje, že celulóza má dobrý zahusťovací účinok na sadrovú zmes. Bulichen vysvetlil mechanizmus zadržiavania vody éteru celulózy v cemente. Pri nízkom miešaní sa éter celulózy adsorbuje na cement pre intramolekulárnu absorpciu vody a sprevádza napučiavanie, aby sa dosiahla retencia vody. V tomto čase je zadržiavanie vody slabé. Vysoká dávka celulózového éteru vytvorí stovky nanometrov až niekoľko mikrónov koloidného polyméru, čím účinne blokuje gélový systém v diere, aby sa dosiahla účinná retencia vody. Mechanizmus účinku éteru celulózy v sadre je rovnaký ako v cemente, ale vyššia koncentrácia SO42- v tekutej fáze sadrovej kaše oslabí vodozádržný účinok celulózy.

Na základe vyššie uvedeného obsahu možno konštatovať, že súčasný výskum sadry modifikovanej éterom celulózy sa väčšinou zameriava na proces hydratácie éteru celulózy na sadrovej zmesi, vlastnosti zadržiavania vody, mechanické vlastnosti a mikroštruktúru vytvrdeného telesa a mechanizmus éteru celulózy zadržiavanie vody. Štúdia o interakcii medzi éterom celulózy a sadrovou kašou pri vysokej teplote je však stále nedostatočná. Vodný roztok éteru celulózy bude želatinovať pri určitej teplote. Ako teplota stúpa, viskozita vodného roztoku éteru celulózy bude postupne klesať. Keď sa dosiahne teplota želatinácie, éter celulózy sa vyzráža na biely gél. Napríklad pri letnej výstavbe je okolitá teplota vysoká, vlastnosti tepelného gélu éteru celulózy vedú k zmenám v spracovateľnosti modifikovanej sadrovej kaše. Táto práca skúma vplyv zvýšenia teploty na spracovateľnosť sadrového materiálu modifikovaného éterom celulózy prostredníctvom systematických experimentov a poskytuje návod na praktickú aplikáciu sadry modifikovanej éterom celulózy.

1. Experimentujte

1.1 Suroviny

Sadra je prírodná stavebná sadra typu β, ktorú poskytuje spoločnosť Beijing Ecological Home Group.

Éter celulózy vybraný z éteru hydroxypropylmetylcelulózy Shandong Yiteng Group, špecifikácie produktu pre 75 000 mPa.s, 100 000 mPa.s a 200 000 mPa.s, teplota gélovatenia nad 60 °C. Ako spomaľovač sadry bola zvolená kyselina citrónová.

1.2 Reologický test

Použitým reologickým testovacím prístrojom bol reometer RST⁃CC vyrobený spoločnosťou BROOKFIELD USA. Reologické parametre, ako je plastická viskozita a šmykové napätie sadrovej suspenzie na medzi klzu, boli stanovené pomocou vzorkovej nádoby MBT⁃40F⁃0046 a rotora CC3⁃40 a údaje boli spracované softvérom RHE3000.

Charakteristiky sadrovej zmesi zodpovedajú reologickému správaniu Binghamovej tekutiny, ktoré sa zvyčajne študuje pomocou Binghamovho modelu. Avšak kvôli pseudoplasticite éteru celulózy pridaného do polymérom modifikovanej sadry má suspenzná zmes zvyčajne určitú vlastnosť strihového riedenia. V tomto prípade môže modifikovaný Bingham (M⁃B) model lepšie opísať reologickú krivku sadry. Na štúdium šmykovej deformácie sadry sa v tejto práci používa aj Herschel⁃Bulkley (H⁃B) model.

1.3 Test retencie vody

Skúšobný postup nájdete v GB/T28627⁃2012 omietka omietky. Počas experimentu s teplotou ako premennou bola sadra predhriata 1 hodinu vopred na zodpovedajúcu teplotu v peci a zmiešaná voda použitá v experimente bola predhriata 1 hodinu na zodpovedajúcu teplotu vo vodnom kúpeli s konštantnou teplotou a použitý prístroj bol predhriaty.

1.4 Skúška hydrodynamického priemeru

Hydrodynamický priemer (D50) asociácie HPMC polyméru v kvapalnej fáze sa meral pomocou analyzátora veľkosti častíc s dynamickým rozptylom svetla (Malvern Zetasizer NanoZS90).

2. Výsledky a diskusia

2.1 Reologické vlastnosti sadry modifikovanej HPMC

Zdanlivá viskozita je pomer šmykového napätia k šmykovej rýchlosti pôsobiacej na tekutinu a je parametrom na charakterizáciu toku nenewtonských tekutín. Zdanlivá viskozita modifikovanej sadrovej kaše sa menila s obsahom éteru celulózy podľa troch rôznych špecifikácií (75 000 mPa.s, 100 000 mPa.s a 200 000 mPa.s). Skúšobná teplota bola 20 ℃. Keď je šmyková rýchlosť reometra 14 min-1, možno zistiť, že viskozita sadrovej suspenzie sa zvyšuje so zvyšujúcou sa inkorporáciou HPMC a čím vyššia je viskozita HPMC, tým vyššia bude viskozita modifikovanej sadrovej suspenzie. To naznačuje, že HPMC má zjavný zahusťovací a viskozifikačný účinok na sadrovú kašu. Sadrová kaša a éter celulózy sú látky s určitou viskozitou. V modifikovanej sadrovej zmesi sa éter celulózy adsorbuje na povrch sadrových hydratačných produktov a sieť tvorená éterom celulózy a sieť tvorená sadrovou zmesou sú prepletené, čo vedie k „superpozičnému efektu“, ktorý výrazne zlepšuje celkovú viskozitu modifikovaný materiál na báze sadry.

Krivky šmykového napätia čistej sadry (G⁃H) a modifikovanej sadrovej pasty (G⁃H) dopovanej 75 000 mPa· s-HPMC, ako sú odvodené z revidovaného Binghamovho (M⁃B) modelu. Dá sa zistiť, že so zvyšovaním šmykovej rýchlosti sa zvyšuje aj šmykové napätie zmesi. Získajú sa hodnoty plastickej viskozity (ηp) a šmykového napätia (τ0) čistej sadry a sadry modifikovanej HPMC pri rôznych teplotách.

Z hodnôt plastickej viskozity (ηp) a medze klzu (τ0) čistej sadry a sadry modifikovanej HPMC pri rôznych teplotách možno vidieť, že medza klzu modifikovanej sadry HPMC bude so zvyšovaním teploty neustále klesať a klznosť stres sa zníži o 33 % pri 60 ℃ v porovnaní s 20 ℃. Pozorovaním krivky plastickej viskozity možno zistiť, že plastická viskozita modifikovanej sadrovej kaše tiež klesá so zvyšujúcou sa teplotou. Avšak medza klzu a plastická viskozita čistej sadrovej kaše mierne stúpa so zvyšovaním teploty, čo naznačuje, že zmena reologických parametrov sadrovej kaše modifikovanej HPMC v procese zvyšovania teploty je spôsobená zmenou vlastností HPMC.

Hodnota medze klzu sadrového kalu odráža maximálnu hodnotu šmykového napätia, keď kal odoláva šmykovej deformácii. Čím väčšia je hodnota medze klzu, tým stabilnejšia môže byť sadrový kal. Viskozita plastu odráža rýchlosť deformácie sadrovej kaše. Čím väčšia je plastická viskozita, tým dlhší bude čas šmykovej deformácie suspenzie. Záverom možno povedať, že dva reologické parametre sadrovej kaše modifikovanej HPMC očividne klesajú so zvyšujúcou sa teplotou a zahusťovací účinok HPMC na sadrovú kašu je oslabený.

Šmyková deformácia kalu sa týka šmykového zahusťovania alebo šmykového stenčovacieho efektu, ktorý sa odráža od kalu, keď je vystavený šmykovej sile. Účinok šmykovej deformácie kalu možno posúdiť pomocou pseudoplastického indexu n získaného z krivky prekladania. Keď n < 1, sadrový kal vykazuje šmykové riedenie a stupeň šmykového riedenia sadrového kalu sa zvyšuje s poklesom n. Keď n > 1, sadrová suspenzia vykazovala šmykové zahustenie a stupeň šmykového zahustenia sadrovej suspenzie sa zvýšil so zvýšením n. Reologické krivky sadrovej suspenzie modifikovanej HPMC pri rôznych teplotách založené na modeli Herschel⁃Bulkley (H⁃B) tak získali pseudoplastický index n sadrovej suspenzie modifikovanej HPMC.

Podľa pseudoplastického indexu n sadrovej suspenzie modifikovanej HPMC je šmyková deformácia sadrovej suspenzie zmiešanej s HPMC šmykové riedenie a hodnota n sa postupne zvyšuje so zvyšovaním teploty, čo naznačuje, že šmykové riedenie sadry modifikovanej HPMC bude byť do určitej miery oslabený vplyvom teploty.

Na základe zdanlivých zmien viskozity modifikovanej sadrovej kaše so šmykovou rýchlosťou vypočítanou z údajov o šmykovom napätí 75 000 mPa· HPMC pri rôznych teplotách možno zistiť, že plastická viskozita modifikovanej sadrovej kaše rýchlo klesá so zvyšujúcou sa šmykovou rýchlosťou, ktorý overuje výsledok fitovania H⁃B modelu. Modifikovaná sadrová kaša vykazovala charakteristiky šmykového riedenia. So zvyšovaním teploty zdanlivá viskozita zmesi pri nízkej šmykovej rýchlosti do určitej miery klesá, čo naznačuje, že efekt šmykového riedenia modifikovanej sadrovej kaše je oslabený.

Pri skutočnom použití sadrového tmelu sa vyžaduje, aby sa sadrová kaša dala ľahko deformovať v procese odierania a aby zostala stabilná v pokoji, čo vyžaduje, aby sadrová kaša mala dobré strihové riedenie a zmena šmyku u sadry modifikovanej HPMC je zriedkavá. do určitej miery, ktorá nie je vhodná pre konštrukciu sadrových materiálov. Viskozita HPMC je jedným z dôležitých parametrov a tiež hlavným dôvodom, prečo zohráva úlohu zahusťovania na zlepšenie premenlivých charakteristík toku miešania. Samotný éter celulózy má vlastnosti horúceho gélu, viskozita jeho vodného roztoku so zvyšovaním teploty postupne klesá a pri dosiahnutí teploty gélovatenia sa vyzráža biely gél. Zmena reologických parametrov sadry modifikovanej celulózovým éterom s teplotou úzko súvisí so zmenou viskozity, pretože zahusťovací efekt je výsledkom superpozície éteru celulózy a zmiešanej suspenzie. V praktickom inžinierstve by sa mal zvážiť vplyv teploty prostredia na výkon HPMC. Napríklad teplota surovín by mala byť kontrolovaná pri vysokej teplote v lete, aby sa predišlo zlému pracovnému výkonu modifikovanej sadry spôsobenej vysokou teplotou.

2.2 Zadržiavanie vodyHPMC modifikovaná sadra

Retencia vody v sadrovej suspenzii modifikovanej tromi rôznymi špecifikáciami éteru celulózy sa mení s krivkou dávkovania. So zvýšením dávky HPMC sa miera retencie vody v sadrovej kaši výrazne zlepší a trend nárastu sa stane stabilným, keď dávka HPMC dosiahne 0,3 %. Napokon miera zadržiavania vody v sadrovej kaši je stabilná na úrovni 90 % ~ 95 %. To naznačuje, že HPMC má zjavný účinok na zadržiavanie vody na paste z kameňov, ale účinok na zadržiavanie vody sa významne nezlepšuje, keď sa dávka stále zvyšuje. Tri špecifikácie rozdielu v rýchlosti retencie vody HPMC nie sú veľké, napríklad keď je obsah 0,3%, rozsah miery retencie vody je 5%, štandardná odchýlka je 2,2. HPMC s najvyššou viskozitou nemá najvyššiu mieru zadržiavania vody a HPMC s najnižšou viskozitou nie je najnižšou mierou zadržiavania vody. V porovnaní s čistou sadrou sa však miera retencie vody troch HPMC pre sadrovú kašu výrazne zlepšila a miera retencie vody modifikovanej sadry s obsahom 0,3 % sa zvýšila o 95 %, 106 %, 97 % v porovnaní s prázdna kontrolná skupina. Éter celulózy môže samozrejme zlepšiť zadržiavanie vody v sadrovej kaši. So zvyšovaním obsahu HPMC miera retencie vody v sadrovej suspenzii modifikovanej HPMC s rôznou viskozitou postupne dosahuje bod nasýtenia. 10 000 mPa.sHPMC dosiahol bod nasýtenia pri 0,3 %, 75 000 mPa.s a 20 000 mPa.s HPMC dosiahol bod nasýtenia 0,2 %. Výsledky ukazujú, že retencia vody 75 000 mPa·s sadry modifikovanej HPMC sa mení s teplotou pri rôznych dávkach. S poklesom teploty sa miera retencie vody v HPMC modifikovanej sadre postupne znižuje, zatiaľ čo miera retencie vody v čistej sadre zostáva v podstate nezmenená, čo naznačuje, že zvýšenie teploty oslabuje účinok HPMC na zadržiavanie vody na sadre. Miera zadržiavania vody HPMC sa znížila o 31,5 %, keď sa teplota zvýšila z 20 ℃ na 40 ℃. Keď teplota stúpne zo 40 ℃ na 60 ℃, miera zadržiavania vody v sadre modifikovanej HPMC je v podstate rovnaká ako v prípade čistej sadry, čo naznačuje, že HPMC v tomto čase stratilo účinok zlepšenia retencie vody v sadre. Jian Jian a Wang Peiming navrhli, že samotný éter celulózy má fenomén tepelného gélu, pričom zmena teploty povedie k zmenám vo viskozite, morfológii a adsorpcii éteru celulózy, čo nevyhnutne povedie k zmenám vo výkonnosti suspenznej zmesi. Bulichen tiež zistil, že dynamická viskozita cementových roztokov obsahujúcich HPMC klesá so zvyšujúcou sa teplotou.

Zmena zadržiavania vody v zmesi spôsobená zvýšením teploty by mala byť kombinovaná s mechanizmom éteru celulózy. Bulichen vysvetlil mechanizmus, ktorým éter celulózy dokáže zadržať vodu v cemente. V systémoch na báze cementu HPMC zlepšuje rýchlosť zadržiavania vody v suspenzii znížením priepustnosti „filtračného koláča“ vytvoreného cementovacím systémom. Určitá koncentrácia HPMC v kvapalnej fáze vytvorí niekoľko stoviek nanometrov až niekoľko mikrónov koloidnej asociácie, ktorá má určitý objem polymérnej štruktúry, môže účinne upchať kanál na prenos vody v zmesi, znížiť priepustnosť „filtračného koláča“, na dosiahnutie účinného zadržiavania vody. Bulichen tiež ukázal, že HPMCS v sadre vykazuje rovnaký mechanizmus. Preto štúdium hydromechanického priemeru asociácie tvorenej HPMC v kvapalnej fáze môže vysvetliť účinok HPMC na zadržiavanie vody v sadre.

2.3 Hydrodynamický priemer asociácie koloidov HPMC

Krivky distribúcie častíc rôznych koncentrácií HPMC 75000 mPa·s v kvapalnej fáze a krivky distribúcie častíc troch špecifikácií HPMC v kvapalnej fáze pri koncentrácii 0,6 %. Z krivky distribúcie častíc HPMC troch špecifikácií v kvapalnej fáze, keď je koncentrácia 0,6 %, je možné vidieť, že so zvýšením koncentrácie HPMC sa tiež zvyšuje veľkosť častíc súvisiacich zlúčenín vytvorených v kvapalnej fáze. Keď je koncentrácia nízka, častice vytvorené agregáciou HPMC sú malé a len malá časť HPMC agreguje do častíc s veľkosťou približne 100 nm. Keď je koncentrácia HPMC 1 %, existuje veľké množstvo koloidných asociácií s hydrodynamickým priemerom približne 300 nm, čo je dôležitý znak prekrývania molekúl. Táto „veľkoobjemová“ polymerizačná štruktúra môže účinne blokovať kanál na prenos vody v zmesi, znížiť „priepustnosť koláča“ a zodpovedajúca retencia vody v sadrovej zmesi pri tejto koncentrácii je tiež väčšia ako 90 %. Hydromechanické priemery HPMC s rôznymi viskozitami v kvapalnej fáze sú v podstate rovnaké, čo vysvetľuje podobnú rýchlosť zadržiavania vody v HPMC modifikovanej sadrovej kaši s rôznymi viskozitami.

Krivky distribúcie veľkosti častíc 75 000 mPa·s HPMC s 1 % koncentráciou pri rôznych teplotách. So zvyšujúcou sa teplotou možno evidentne nájsť rozklad HPMC koloidnej asociácie. Pri 40 ℃ veľký objem 300nm asociácie úplne zmizol a rozložil sa na častice s malým objemom 15nm. S ďalším zvýšením teploty sa HPMC stávajú menšími časticami a zadržiavanie vody v sadrovej kaši sa úplne stratí.

Fenomén vlastností HPMC, ktoré sa menia s nárastom teploty, je tiež známy ako vlastnosti horúceho gélu, existujúci bežný názor je, že pri nízkej teplote sa makromolekuly HPMC najskôr dispergujú vo vode, aby sa rozpustili roztok, molekuly HPMC vo vysokej koncentrácii vytvoria asociáciu veľkých častíc. . Keď teplota stúpa, hydratácia HPMC sa oslabuje, voda medzi reťazcami sa postupne vypúšťa, veľké asociačné zlúčeniny sa postupne dispergujú na malé častice, viskozita roztoku klesá a vytvára sa trojrozmerná sieťová štruktúra pri gélovatení. teplota sa dosiahne a biely gél sa vyzráža.

Bodvik zistil, že mikroštruktúra a adsorpčné vlastnosti HPMC v kvapalnej fáze sa zmenili. V kombinácii s Bulichenovou teóriou HPMC koloidnej asociácie blokujúcej transportný kanál kalovej vody sa dospelo k záveru, že zvýšenie teploty viedlo k rozpadu HPMC koloidnej asociácie, čo malo za následok zníženie retencie vody v modifikovanej sadre.

3. Záver

(1) Samotný éter celulózy má vysokú viskozitu a „prekrývaný“ efekt so sadrovou kašou, čo má zjavný zahusťovací efekt. Pri izbovej teplote sa zahusťovací efekt stáva zreteľnejším so zvýšením viskozity a dávkovaním éteru celulózy. So zvyšujúcou sa teplotou však klesá viskozita éteru celulózy, oslabuje sa jeho zahusťovací účinok, znižuje sa šmykové napätie a plastická viskozita sadrovej zmesi, oslabuje sa pseudoplasticita a zhoršuje sa konštrukčná vlastnosť.

(2) Éter celulózy zlepšil zadržiavanie vody v sadre, ale so zvýšením teploty sa zadržiavanie vody v modifikovanej sadre tiež výrazne znížilo, dokonca aj pri 60 ° C úplne stratí účinok zadržiavania vody. Rýchlosť retencie vody v sadrovej kaši sa výrazne zlepšila éterom celulózy a rýchlosť retencie vody v sadrovej kaši modifikovanej HPMC s rôznou viskozitou postupne dosahovala bod nasýtenia so zvyšovaním dávky. Zadržiavanie vody v sadre je vo všeobecnosti úmerné viskozite éteru celulózy, pri vysokej viskozite má malý účinok.

(3) Vnútorné faktory, ktoré menia zadržiavanie vody v étere celulózy s teplotou, úzko súvisia s mikroskopickou morfológiou éteru celulózy v kvapalnej fáze. Pri určitej koncentrácii má celulózový éter tendenciu agregovať a vytvárať veľké koloidné asociácie, ktoré blokujú vodný transportný kanál sadrovej zmesi, aby sa dosiahla vysoká retencia vody. Avšak so zvýšením teploty v dôsledku vlastnosti tepelnej gélovatenia samotného éteru celulózy sa predtým vytvorená veľká koloidná asociácia redisperguje, čo vedie k poklesu schopnosti zadržiavania vody.