Utveckling av nya HEMC cellulosaetrar för att minska agglomeration i gipsbaserade maskinsprutade plåster

Utveckling av nya HEMC cellulosaetrar för att minska agglomeration i gipsbaserade maskinsprutade plåster

Gipsbaserad maskinsprutad gips (GSP) har använts flitigt i Västeuropa sedan 1970-talet. Framväxten av mekanisk sprutning har effektivt förbättrat effektiviteten av gipskonstruktion samtidigt som byggkostnaderna minskat. Med fördjupningen av GSP-kommersialiseringen har vattenlöslig cellulosaeter blivit en viktig tillsats. Cellulosaeter ger GSP en god vattenretentionsförmåga, vilket begränsar underlagets fuktupptagning i gipset, vilket ger en stabil härdningstid och goda mekaniska egenskaper. Dessutom kan den specifika reologiska kurvan för cellulosaeter förbättra effekten av maskinsprutning och avsevärt förenkla de efterföljande murbruksutjämnings- och efterbehandlingsprocesserna.

Trots de uppenbara fördelarna med cellulosaetrar i GSP-tillämpningar, kan det också potentiellt bidra till bildandet av torra klumpar vid sprutning. Dessa ovätta klumpar är också kända som klumpar eller kakning, och de kan negativt påverka utjämningen och efterbehandlingen av murbruket. Agglomerering kan minska platsens effektivitet och öka kostnaderna för högpresterande gipsprodukter. För att bättre förstå effekten av cellulosaetrar på bildningen av klumpar i GSP, genomförde vi en studie för att försöka identifiera de relevanta produktparametrarna som påverkar deras bildning. Baserat på resultaten av denna studie utvecklade vi en serie cellulosaeterprodukter med minskad tendens att agglomerera och utvärderade dem i praktiska tillämpningar.

Nyckelord: cellulosaeter; gipsmaskin spraygips; upplösningshastighet; partikelmorfologi

1. Introduktion

Vattenlösliga cellulosaetrar har framgångsrikt använts i gipsbaserade maskinsprutade plåster (GSP) för att reglera vattenbehovet, förbättra vattenretention och förbättra murbrukets reologiska egenskaper. Därför hjälper det till att förbättra prestandan hos det våta bruket, och säkerställer därigenom den erforderliga styrkan hos bruket. På grund av dess kommersiellt gångbara och miljövänliga egenskaper har torrmix GSP blivit ett flitigt använt interiörbyggmaterial i hela Europa under de senaste 20 åren.

Maskiner för blandning och sprutning av torrblandad GSP har framgångsrikt kommersialiserats i årtionden. Även om vissa tekniska egenskaper hos utrustning från olika tillverkare varierar, tillåter alla kommersiellt tillgängliga sprutmaskiner en mycket begränsad omrörningstid för vatten att blandas med cellulosaeterinnehållande gipstorrblandningsbruk. I allmänhet tar hela blandningsprocessen bara några sekunder. Efter blandning pumpas våtbruket genom tillföringsslangen och sprutas på substratväggen. Hela processen är klar inom en minut. På så kort tid måste dock cellulosaetrar vara helt upplösta för att fullt ut utveckla sina egenskaper i applikationen. Att tillsätta finmalda cellulosaeterprodukter till gipsbruksformuleringar säkerställer fullständig upplösning under denna sprutprocess.

Den finmalda cellulosaetern bygger snabbt upp konsistens vid kontakt med vatten under omrörning i sprutan. Den snabba viskositetsökningen orsakad av upplösningen av cellulosaetern orsakar problem med den samtidiga vattenvätning av partiklarna av gipscementmaterial. När vattnet börjar tjockna blir det mindre flytande och kan inte tränga in i de små porerna mellan gipspartiklarna. Efter att åtkomsten till porerna är blockerad, försenas vätningsprocessen av cementmaterialpartiklarna med vatten. Blandningstiden i sprutan var kortare än den tid som krävdes för att helt blöta gipspartiklarna, vilket resulterade i att det bildades torra pulverklumpar i det färska våta bruket. När dessa klumpar väl har bildats hindrar de arbetarnas effektivitet i efterföljande processer: utjämning av murbruk med klumpar är mycket besvärligt och tar längre tid. Även efter att bruket har stelnat kan initialt bildade klumpar dyka upp. Att till exempel täcka klumparna inuti under byggandet kommer att leda till att mörka områden uppstår i ett senare skede, vilket vi inte vill se.

Även om cellulosaetrar har använts som tillsatser i GSP under många år, har deras effekt på bildningen av ovätta klumpar inte studerats mycket hittills. Den här artikeln presenterar ett systematiskt tillvägagångssätt som kan användas för att förstå grundorsaken till agglomeration ur ett cellulosaeterperspektiv.

2. Orsaker till bildandet av ovätta klumpar i GSP

2.1 Vätning av gipsbaserade plåster

I de tidiga stadierna av etableringen av forskningsprogrammet samlades ett antal möjliga grundorsaker till bildandet av klumpar i CSP. Därefter, genom datorstödd analys, fokuseras problemet på om det finns en praktisk teknisk lösning. Genom dessa arbeten sållades preliminärt bort den optimala lösningen för bildandet av agglomerat i GSP. Från både tekniska och kommersiella överväganden är den tekniska vägen att ändra vätningen av gipspartiklar genom ytbehandling utesluten. Ur kommersiell synvinkel utesluts tanken på att ersätta den befintliga utrustningen med en sprututrustning med en specialdesignad blandningskammare som kan säkerställa tillräcklig blandning av vatten och murbruk.

Ett annat alternativ är att använda vätmedel som tillsatser i gipsformuleringar och vi har redan hittat patent på detta. Men tillsatsen av denna tillsats påverkar oundvikligen negativt gipsets bearbetbarhet. Ännu viktigare är att det förändrar murbrukets fysiska egenskaper, särskilt hårdhet och styrka. Så vi fördjupade oss inte för djupt i det. Dessutom anses även tillsats av vätmedel eventuellt ha en negativ påverkan på miljön.

Med tanke på att cellulosaeter redan är en del av den gipsbaserade gipsformuleringen blir optimering av cellulosaeter i sig den bästa lösningen som kan väljas. Samtidigt får det inte påverka vattenretentionsegenskaperna eller negativt påverka de reologiska egenskaperna hos plåstret som används. Baserat på den tidigare föreslagna hypotesen att genereringen av icke-vätta pulver i GSP beror på den alltför snabba ökningen av viskositeten hos cellulosaetrar efter kontakt med vatten under omrörning, blev kontroll av upplösningsegenskaperna hos cellulosaetrar huvudmålet med vår studie .

2.2 Upplösningstid för cellulosaeter

Ett enkelt sätt att bromsa upplösningshastigheten för cellulosaetrar är att använda granulära produkter. Den största nackdelen med att använda detta tillvägagångssätt i GSP är att partiklar som är för grova inte löser sig helt inom det korta 10-sekunders omrörningsfönstret i sprutan, vilket leder till en förlust av vattenretention. Dessutom kommer svällningen av olöst cellulosaeter i det senare skedet att leda till förtjockning efter putsning och påverka byggprestandan, vilket vi inte vill se.

Ett annat alternativ för att minska upplösningshastigheten för cellulosaetrar är att reversibelt tvärbinda ytan av cellulosaetrar med glyoxal. Eftersom tvärbindningsreaktionen är pH-kontrollerad, är emellertid upplösningshastigheten för cellulosaetrar starkt beroende av pH i den omgivande vattenlösningen. pH-värdet för GSP-systemet blandat med släckt kalk är mycket högt, och de tvärbindande bindningarna av glyoxal på ytan öppnas snabbt efter att ha kommit i kontakt med vatten, och viskositeten börjar stiga omedelbart. Därför kan sådana kemiska behandlingar inte spela någon roll för att kontrollera upplösningshastigheten i GSP.

Upplösningstiden för cellulosaetrar beror också på deras partikelmorfologi. Detta faktum har dock inte fått mycket uppmärksamhet hittills, även om effekten är mycket betydande. De har en konstant linjär upplösningshastighet [kg/(m2•s)], så deras upplösning och viskositetsuppbyggnad är proportionella mot den tillgängliga ytan. Denna hastighet kan variera avsevärt med förändringar i cellulosapartiklarnas morfologi. I våra beräkningar antas det att full viskositet (100%) uppnås efter 5 sekunders omrörning.

Beräkningar av olika partikelmorfologier visade att sfäriska partiklar hade en viskositet på 35 % av den slutliga viskositeten vid halva blandningstiden. Under samma tidsperiod kan stavformade cellulosaeterpartiklar bara nå 10 %. De skivformade partiklarna började precis lösas upp efter det2,5 sekunder.

Dessutom ingår idealiska löslighetsegenskaper för cellulosaetrar i GSP. Fördröja uppbyggnaden av den initiala viskositeten i mer än 4,5 sekunder. Därefter ökade viskositeten snabbt för att nå den slutliga viskositeten inom 5 sekunder efter omrörningstid. I GSP tillåter en så lång fördröjd upplösningstid att systemet har en låg viskositet, och det tillsatta vattnet kan helt väta gipspartiklarna och komma in i porerna mellan partiklarna utan störningar.

3. Partikelmorfologi för cellulosaeter

3.1 Mätning av partikelmorfologi

Eftersom formen på cellulosaeterpartiklar har en så betydande inverkan på lösligheten, är det först nödvändigt att bestämma parametrarna som beskriver formen på cellulosaeterpartiklar, och sedan identifiera skillnaderna mellan icke-vätande Bildandet av agglomerat är en särskilt relevant parameter .

Vi erhöll partikelmorfologin för cellulosaeter genom dynamisk bildanalysteknik. Partikelmorfologin hos cellulosaetrar kan helt karakteriseras med hjälp av en SYMPATEC digital bildanalysator (tillverkad i Tyskland) och specifika verktyg för mjukvaruanalys. De viktigaste parametrarna för partikelformen visade sig vara medellängden på fibrerna uttryckt som LEFI(50,3) och medeldiametern uttryckt som DIFI(50,3). Fibermedellängddata anses vara hela längden av en viss utbredd cellulosaeterpartikel.

Vanligtvis kan partikelstorleksfördelningsdata såsom den genomsnittliga fiberdiametern DIFI beräknas baserat på antalet partiklar (betecknas med 0), längd (betecknad med 1), area (betecknad med 2) eller volym (betecknad med 3). Alla partikeldatamätningar i detta dokument är baserade på volym och indikeras därför med suffixet 3. Till exempel, i DIFI(50,3), betyder 3 volymfördelningen och 50 betyder att 50 % av partikelstorleksfördelningskurvan är mindre än det angivna värdet, och de andra 50 % är större än det angivna värdet. Formdata för cellulosaeterpartiklar anges i mikrometer (µm).

3.2 Cellulosater efter partikelmorfologioptimering

Med hänsyn till effekten av partikelytan beror partikelupplösningstiden för cellulosaeterpartiklar med en stavliknande partikelform starkt på den genomsnittliga fiberdiametern DIFI (50,3). Utifrån detta antagande syftade utvecklingsarbetet på cellulosaetrar till att få fram produkter med en större genomsnittlig fiberdiameter DIFI (50,3) för att förbättra pulvrets löslighet.

En ökning av den genomsnittliga fiberlängden DIFI(50,3) förväntas dock inte åtföljas av en ökning av den genomsnittliga partikelstorleken. Att öka båda parametrarna tillsammans kommer att resultera i partiklar som är för stora för att lösas upp helt inom den typiska 10-sekunders omrörningstiden för mekanisk sprutning.

Därför bör en idealisk hydroxietylmetylcellulosa (HEMC) ha en större genomsnittlig fiberdiameter DIFI(50,3) samtidigt som den genomsnittliga fiberlängden LEFI(50,3) bibehålls. Vi använder en ny produktionsprocess för cellulosaeter för att producera en förbättrad HEMC. Partikelformen på den vattenlösliga cellulosaetern som erhålls genom denna tillverkningsprocess är helt olik partikelformen på den cellulosa som används som råvara för produktionen. Med andra ord tillåter produktionsprocessen att cellulosaeterns partikelform är oberoende av dess produktionsråvaror.

Tre svepelektronmikroskopbilder: en av cellulosaeter producerad med standardprocessen och en av cellulosaeter som producerats genom den nya processen med en större diameter på DIFI(50,3) än konventionella processverktygsprodukter. Dessutom visas morfologin hos den finmalda cellulosa som används vid framställningen av dessa två produkter.

Om man jämför elektronmikrofotografierna av cellulosa och cellulosaeter som produceras med standardprocessen, är det lätt att finna att de två har liknande morfologiska egenskaper. Det stora antalet partiklar i båda bilderna uppvisar typiskt långa, tunna strukturer, vilket tyder på att de grundläggande morfologiska egenskaperna inte har förändrats även efter att den kemiska reaktionen har ägt rum. Det är tydligt att partikelmorfologiegenskaperna hos reaktionsprodukterna är starkt korrelerade med råmaterialen.

Det visade sig att de morfologiska egenskaperna hos cellulosaetern som produceras med den nya processen skiljer sig markant, den har en större medeldiameter DIFI (50,3) och uppvisar huvudsakligen runda korta och tjocka partikelformer, medan de typiska tunna och långa partiklarna i cellulosaråvara Nästan utdöd.

Denna figur visar återigen att partikelmorfologin hos cellulosaetrarna som produceras med den nya processen inte längre är relaterad till cellulosaråvarans morfologi – kopplingen mellan råmaterialets morfologi och slutprodukten existerar inte längre.

4. Effekt av HEMC-partikelmorfologi på bildandet av ovätta klumpar i GSP

GSP testades under fälttillämpningsförhållanden för att verifiera att vår hypotes om arbetsmekanismen (att användning av en cellulosaeterprodukt med en större medeldiameter DIFI (50,3) skulle minska oönskad agglomeration) var korrekt. HEMC med medeldiametrar DIFI(50,3) från 37 µm till 52 µm användes i dessa experiment. För att minimera påverkan av andra faktorer än partikelmorfologin hölls gipsbasen och alla andra tillsatser oförändrade. Cellulosaeterns viskositet hölls konstant under testet (60 000 mPa.s, 2 % vattenlösning, mätt med en HAAKE-reometer).

En kommersiellt tillgänglig gipsspruta (PFT G4) användes för sprutning i appliceringsförsöken. Fokusera på att utvärdera bildandet av ovätta klumpar av gipsbruk omedelbart efter att det har applicerats på väggen. Bedömning av hopklumpning i detta skede under gipsappliceringsprocessen avslöjar bäst skillnader i produktens prestanda. I testet bedömde erfarna arbetare klumpsituationen, där 1 var bäst och 6 var sämst.

Testresultaten visar tydligt korrelationen mellan den genomsnittliga fiberdiametern DIFI (50,3) och klumpningsprestandapoängen. I enlighet med vår hypotes att cellulosaeterprodukter med större DIFI(50,3) presterade bättre än mindre DIFI(50,3)-produkter, var medelpoängen för DIFI(50,3) på 52 µm 2 (bra), medan de med DIFI( 50,3) av 37 µm och 40 µm fick 5 (misslyckande).

Som vi förväntade oss beror klumpningsbeteendet i GSP-tillämpningar avsevärt på medeldiametern DIFI(50,3) för den använda cellulosaetern. Dessutom nämndes det i den tidigare diskussionen att bland alla morfologiska parametrar DIFI(50,3) starkt påverkade upplösningstiden för cellulosaeterpulver. Detta bekräftar att cellulosaeterupplösningstid, som är starkt korrelerad med partikelmorfologi, i slutändan påverkar bildningen av klumpar i GSP. En större DIFI (50,3) ger en längre upplösningstid av pulvret, vilket avsevärt minskar risken för agglomeration. För lång pulverupplösningstid kommer emellertid att göra det svårt för cellulosaetern att lösas upp fullständigt inom sprayutrustningens omrörningstid.

Den nya HEMC-produkten med en optimerad upplösningsprofil på grund av en större genomsnittlig fiberdiameter DIFI(50,3) har inte bara bättre vätning av gipspulvret (som framgår av klumpningsutvärderingen), utan påverkar inte heller vattenretentionsprestanda av produkten. Vattenretentionen mätt enligt EN 459-2 kunde inte skiljas från HEMC-produkter med samma viskositet med DIFI(50,3) från 37 µm till 52 µm. Alla mätningar efter 5 minuter och 60 minuter faller inom det erforderliga området som visas i grafen.

Det bekräftades dock också att om DIFI(50,3) blir för stort kommer cellulosaeterpartiklarna inte längre att lösas upp helt. Detta upptäcktes vid testning av en DIFI(50,3) på 59 µM produkt. Dess vattenretentionstestresultat efter 5 minuter och särskilt efter 60 minuter uppfyllde inte det erforderliga minimumet.

5. Sammanfattning

Cellulosaetrar är viktiga tillsatser i GSP-formuleringar. Forsknings- och produktutvecklingsarbetet här tittar på sambandet mellan partikelmorfologin hos cellulosaetrar och bildningen av ovätta klumpar (så kallad klumpning) vid mekanisk sprutning. Det är baserat på antagandet om arbetsmekanismen att upplösningstiden för cellulosaeterpulver påverkar vätningen av gipspulver med vatten och därmed påverkar bildningen av klumpar.

Upplösningstiden beror på partikelmorfologin hos cellulosaetern och kan erhållas med hjälp av digitala bildanalysverktyg. I GSP har cellulosaetrar med en stor medeldiameter på DIFI (50,3) optimerade pulverupplösningsegenskaper, vilket ger mer tid för vatten att genomväta gipspartiklarna, vilket möjliggör optimal anti-agglomerering. Denna typ av cellulosaeter framställs med hjälp av en ny produktionsprocess, och dess partikelform är inte beroende av den ursprungliga formen av råvaran för produktion.

Den genomsnittliga fiberdiametern DIFI (50,3) har en mycket viktig effekt på klumpbildning, vilket har verifierats genom att tillsätta denna produkt till en kommersiellt tillgänglig maskinsprutad gipsbas för sprutning på plats. Dessutom bekräftade dessa fältspraytester våra laboratorieresultat: de bäst presterande cellulosaeterprodukterna med stor DIFI (50,3) var helt lösliga inom tidsfönstret för GSP-omrörning. Därför bibehåller cellulosaeterprodukten med de bästa klumpförebyggande egenskaperna efter förbättring av partikelformen fortfarande den ursprungliga vattenretentionsförmågan.