สารละลายซีเมนต์ดัดแปลงเซลลูโลสอีเทอร์

ศึกษาผลของโครงสร้างโมเลกุลต่างๆ ของเซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่มีไอออนิกต่อโครงสร้างรูพรุนของสารละลายซีเมนต์ โดยการทดสอบความหนาแน่นของสมรรถนะ และการสังเกตโครงสร้างรูพรุนด้วยกล้องจุลทรรศน์และด้วยกล้องจุลทรรศน์ ผลการวิจัยพบว่าเซลลูโลสอีเทอร์แบบไม่มีประจุสามารถเพิ่มความพรุนของสารละลายซีเมนต์ได้ เมื่อความหนืดของสารละลายดัดแปลงเซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิกมีความคล้ายคลึงกัน ความพรุนของไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสอีเทอร์สารละลายดัดแปลง (HEC) มีขนาดเล็กกว่าสารละลายดัดแปลงของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (HPMC) และเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (MC) ยิ่งความหนืด/น้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์ของ HPMC เซลลูโลสอีเทอร์ที่มีปริมาณกลุ่มใกล้เคียงกันต่ำลง ความพรุนของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลงก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น เซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่มีไอออนิกสามารถลดแรงตึงผิวของเฟสของเหลว และทำให้สารละลายซีเมนต์เกิดฟองได้ง่าย โมเลกุลอีเทอร์เซลลูโลสที่ไม่ใช่ไอออนิกจะถูกดูดซับในทิศทางที่ส่วนต่อประสานระหว่างแก๊สและของเหลวของฟองอากาศ ซึ่งจะเพิ่มความหนืดของเฟสสารละลายซีเมนต์ และเพิ่มความสามารถของสารละลายซีเมนต์เพื่อรักษาเสถียรภาพของฟองอากาศ

คำสำคัญ:เซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่มีประจุ สารละลายซีเมนต์ โครงสร้างรูพรุน โครงสร้างโมเลกุล แรงตึงผิว ความหนืด

เซลลูโลสอีเทอร์แบบไม่มีประจุ (ต่อไปนี้จะเรียกว่าเซลลูโลสอีเทอร์) มีความหนาและการกักเก็บน้ำที่ดีเยี่ยม และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในปูนผสมแห้ง คอนกรีตอัดในตัว และวัสดุซีเมนต์ใหม่อื่นๆ เซลลูโลสอีเทอร์ที่ใช้ในวัสดุที่ทำจากซีเมนต์มักจะประกอบด้วยเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (MC), ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (HPMC), ไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (HEMC) และไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (HEC) โดยที่ HPMC และ HEMC เป็นแอปพลิเคชั่นที่พบบ่อยที่สุด .

เซลลูโลสอีเทอร์สามารถส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อโครงสร้างรูพรุนของสารละลายซีเมนต์ Pourchez และคณะ ผ่านการทดสอบความหนาแน่นปรากฏ การทดสอบขนาดรูพรุน (วิธีการฉีดสารปรอท) และการวิเคราะห์ภาพ sEM สรุปว่าเซลลูโลสอีเทอร์สามารถเพิ่มจำนวนรูขุมขนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 500 นาโนเมตร และรูขุมขนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 50-250μm ใน สารละลายซีเมนต์ นอกจากนี้ สำหรับสารละลายซีเมนต์ชุบแข็ง การกระจายขนาดรูพรุนของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง HEC ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำจะคล้ายกับการกระจายขนาดรูพรุนของสารละลายซีเมนต์บริสุทธิ์ ปริมาตรรูพรุนรวมของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง HEC ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงนั้นสูงกว่าปริมาตรของสารละลายซีเมนต์บริสุทธิ์ แต่ต่ำกว่าปริมาตรของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลงของ HPMC ที่มีความสม่ำเสมอใกล้เคียงกัน ผ่านการสังเกต SEM จาง และคณะ พบว่า HEMC สามารถเพิ่มจำนวนรูพรุนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.1 มม. ในปูนซีเมนต์ได้อย่างมีนัยสำคัญ พวกเขายังพบว่าผ่านการทดสอบการฉีดสารปรอทว่า HEMC สามารถเพิ่มปริมาตรรูพรุนทั้งหมดและเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนเฉลี่ยของสารละลายซีเมนต์ได้อย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้จำนวนรูพรุนขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 นาโนเมตร ~ 1μm เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และรูพรุนขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า มากกว่า 1 ไมโครเมตร อย่างไรก็ตาม จำนวนรูขุมขนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 50 นาโนเมตรลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ซาริก-โคริก และคณะ เชื่อว่าเซลลูโลสอีเทอร์จะทำให้สารละลายซีเมนต์มีรูพรุนมากขึ้น และทำให้มาโครพอร์เพิ่มขึ้น เจนนี่ และคณะ ทดสอบความหนาแน่นของประสิทธิภาพและพบว่าสัดส่วนปริมาตรรูพรุนของปูนซีเมนต์ดัดแปลง HEMC อยู่ที่ประมาณ 20% ในขณะที่ปูนซีเมนต์บริสุทธิ์มีอากาศเพียงเล็กน้อย ซิลวาและคณะ พบว่านอกเหนือจากพีคสองอันที่ 3.9 นาโนเมตรและ 40 ~ 75 นาโนเมตรที่เป็นสารละลายซีเมนต์บริสุทธิ์แล้ว ยังมีพีคสองอันที่ 100 ~ 500 นาโนเมตรและมากกว่า100ไมโครเมตรผ่านการทดสอบการฉีดสารปรอท หม่า เป่ากั๋ว และคณะ พบว่าเซลลูโลสอีเทอร์เพิ่มจำนวนรูพรุนขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 1 ไมโครเมตร และรูพรุนขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 2 ไมโครเมตรในปูนซีเมนต์ผ่านการทดสอบการฉีดสารปรอท สำหรับเหตุผลที่เซลลูโลสอีเทอร์เพิ่มความพรุนของสารละลายซีเมนต์ ก็มักจะเชื่อว่าเซลลูโลสอีเทอร์มีกิจกรรมพื้นผิว จะเพิ่มคุณค่าในส่วนติดต่อของอากาศและน้ำ ก่อตัวเป็นฟิล์ม เพื่อรักษาเสถียรภาพของฟองอากาศในสารละลายซีเมนต์

จากการวิเคราะห์วรรณกรรมข้างต้น จะเห็นได้ว่าผลของเซลลูโลสอีเทอร์ต่อโครงสร้างรูพรุนของวัสดุที่ใช้ซีเมนต์ได้รับความสนใจอย่างมาก อย่างไรก็ตาม มีเซลลูโลสอีเทอร์หลายประเภท เซลลูโลสอีเทอร์ชนิดเดียวกัน น้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์ เนื้อหากลุ่ม และพารามิเตอร์โครงสร้างโมเลกุลอื่น ๆ ก็แตกต่างกันมากเช่นกัน และนักวิจัยในประเทศและต่างประเทศเกี่ยวกับการเลือกเซลลูโลสอีเทอร์นั้น จำกัด เฉพาะการใช้งานที่เกี่ยวข้องเท่านั้น ฟิลด์ ขาดการเป็นตัวแทน ข้อสรุปคือ "overgeneralization" อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เพื่อให้คำอธิบายของกลไกเซลลูโลสอีเทอร์ไม่ลึกพอ ในบทความนี้ ศึกษาผลของเซลลูโลสอีเทอร์ที่มีโครงสร้างโมเลกุลต่างกันต่อโครงสร้างรูพรุนของสารละลายซีเมนต์ โดยการทดสอบความหนาแน่นปรากฏ และการสังเกตโครงสร้างรูพรุนด้วยกล้องจุลทรรศน์และด้วยกล้องจุลทรรศน์

1. ทดสอบ

1.1 วัตถุดิบ

ซีเมนต์ดังกล่าวเป็นปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ธรรมดา P·O 42.5 ที่ผลิตโดย Huaxin Cement Co., LTD. ซึ่งองค์ประกอบทางเคมีถูกวัดโดย AXIOS Ad-Vanced wavelength dispersion-type X-ray fluorescence spectrometer (PANa — lytical, เนเธอร์แลนด์) และองค์ประกอบเฟสถูกประมาณโดยวิธี Bogue

เซลลูโลสอีเทอร์เลือกเซลลูโลสอีเทอร์เชิงพาณิชย์สี่ชนิดตามลำดับเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (MC), ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (HPMC1, HPMC2) และไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (HEC), โครงสร้างโมเลกุล HPMC1 และ HPMC2 คล้ายกัน แต่ความหนืดน้อยกว่า HPMC2 มาก นั่นคือมวลโมเลกุลสัมพัทธ์ของ HPMC1 นั้นน้อยกว่ามวลโมเลกุลของ HPMC2 มาก เนื่องจากคุณสมบัติที่คล้ายกันของไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (HEMc) และ HPMC จึงไม่ได้เลือก HEMC ในการศึกษานี้ เพื่อหลีกเลี่ยงอิทธิพลของปริมาณความชื้นต่อผลการทดสอบ เซลลูโลสอีเทอร์ทั้งหมดจึงถูกอบที่ 98°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมงก่อนใช้งาน

ทดสอบความหนืดของเซลลูโลสอีเทอร์โดยเครื่องวัดความหนืดแบบหมุน NDJ-1B (บริษัท Shanghai Changji) ความเข้มข้นของสารละลายทดสอบ (อัตราส่วนมวลของเซลลูโลสอีเทอร์ต่อน้ำ) คือ 2.0% อุณหภูมิคือ 20°C และอัตราการหมุนคือ 12r/min ทดสอบแรงตึงผิวของเซลลูโลสอีเทอร์โดยวิธีวงแหวน เครื่องทดสอบคือเครื่องวัดแรงดึงอัตโนมัติ JK99A (บริษัท Shanghai Zhongchen) ความเข้มข้นของสารละลายทดสอบคือ 0.01% และอุณหภูมิคือ 20℃ เนื้อหากลุ่มเซลลูโลสอีเทอร์จัดทำโดยผู้ผลิต

ตามความหนืด แรงตึงผิว และปริมาณกลุ่มของเซลลูโลสอีเทอร์ เมื่อความเข้มข้นของสารละลายคือ 2.0% อัตราส่วนความหนืดของสารละลาย HEC และ HPMC2 คือ 1:1.6 และอัตราส่วนความหนืดของสารละลาย HEC และ MC คือ 1: 0.4 แต่ ในการทดสอบนี้ อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์คือ 0.35 อัตราส่วนซีเมนต์สูงสุดคือ 0.6% อัตราส่วนมวลของเซลลูโลสอีเทอร์ต่อน้ำคือประมาณ 1.7% น้อยกว่า 2.0% และผลเสริมฤทธิ์กันของสารละลายซีเมนต์ต่อความหนืด ดังนั้น ความแตกต่างของความหนืดของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง HEC, HPMC2 หรือ MC มีขนาดเล็ก

ตามความหนืด แรงตึงผิว และปริมาณกลุ่มของเซลลูโลสอีเทอร์ แรงตึงผิวของเซลลูโลสอีเทอร์แต่ละตัวจะแตกต่างกัน เซลลูโลสอีเทอร์มีทั้งกลุ่มที่ชอบน้ำ (กลุ่มไฮดรอกซิลและอีเทอร์) และกลุ่มที่ไม่ชอบน้ำ (วงแหวนคาร์บอนเมทิลและกลูโคส) เป็นสารลดแรงตึงผิว เซลลูโลสอีเทอร์แตกต่างกัน ชนิดและเนื้อหาของหมู่ที่ชอบน้ำและหมู่ที่ไม่ชอบน้ำต่างกัน ส่งผลให้แรงตึงผิวต่างกัน

1.2 วิธีทดสอบ

เตรียมสารละลายซีเมนต์หกชนิด รวมถึงสารละลายซีเมนต์บริสุทธิ์ สารละลายซีเมนต์ดัดแปลงเซลลูโลสอีเทอร์สี่ชนิด (MC, HPMCl, HPMC2 และ HEC) ที่มีอัตราส่วนซีเมนต์ 0.60% และสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง HPMC2 ที่มีอัตราส่วนซีเมนต์ 0.05% อ้างอิง, MC — 0.60, HPMCl — 0.60, Hpmc2-0.60 HEC 1-0.60 และ hpMC2-0.05 บ่งชี้ว่าอัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์คือ 0.35 ทั้งคู่

สารละลายซีเมนต์ก่อนตาม GB/T 17671 1999 "วิธีทดสอบความแข็งแรงของปูนซีเมนต์ (วิธี ISO)" ที่สร้างเป็นบล็อกทดสอบปริซึมขนาด 40 มม. × 40 มม. × 160 มม. ภายใต้เงื่อนไข 20 ℃ การบ่มแบบปิดผนึก 28d หลังจากชั่งน้ำหนักและคำนวณความหนาแน่นปรากฏแล้ว ก็ใช้ค้อนเล็กๆ ทุบให้แตก และสังเกตสภาพรูมาโครของส่วนกลางของบล็อกทดสอบและถ่ายภาพด้วยกล้องดิจิตอล ในเวลาเดียวกัน ชิ้นเล็กๆ ขนาด 2.5 ~ 5.0 มม. ถูกนำมาใช้เพื่อสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอล (กล้องจุลทรรศน์วิดีโอสามมิติ HIROX) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (JSM-5610LV)

2. ผลการทดสอบ

2.1 ความหนาแน่นที่ปรากฏ

ตามความหนาแน่นปรากฏของสารละลายซีเมนต์ที่ดัดแปลงโดยเซลลูโลสอีเทอร์ต่างๆ (1) ความหนาแน่นปรากฏของสารละลายซีเมนต์บริสุทธิ์มีค่าสูงสุดคือ 2,044 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร; ความหนาแน่นที่ชัดเจนของสารละลายดัดแปลงเซลลูโลสอีเทอร์ทั้งสี่ชนิดที่มีอัตราส่วนซีเมนต์ 0.60% อยู่ที่ 74% ~ 88% ของสารละลายซีเมนต์บริสุทธิ์ ซึ่งบ่งชี้ว่าเซลลูโลสอีเทอร์ทำให้เกิดความพรุนของสารละลายซีเมนต์เพิ่มขึ้น (2) เมื่ออัตราส่วนของซีเมนต์ต่อซีเมนต์เท่ากับ 0.60% ผลกระทบของเซลลูโลสอีเทอร์ที่แตกต่างกันต่อความพรุนของสารละลายซีเมนต์จะแตกต่างกันมาก ความหนืดของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง HEC, HPMC2 และ MC นั้นใกล้เคียงกัน แต่ความหนาแน่นที่ชัดเจนของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง HEC นั้นสูงที่สุด ซึ่งบ่งชี้ว่าความพรุนของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง HEC นั้นน้อยกว่าของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง HPMc2 และ Mc ที่มีความหนืดใกล้เคียงกัน . HPMc1 และ HPMC2 มีเนื้อหากลุ่มที่คล้ายกัน แต่ความหนืดของ HPMCl นั้นต่ำกว่าของ HPMC2 มากและความหนาแน่นที่ชัดเจนของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง HPMCl นั้นสูงกว่าของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลงของ HPMC2 อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งบ่งชี้ว่าเมื่อเนื้อหากลุ่มคล้ายกัน ยิ่งความหนืดของเซลลูโลสอีเทอร์ต่ำลง ความพรุนของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลงก็จะยิ่งต่ำลง (3) เมื่ออัตราส่วนซีเมนต์ต่อซีเมนต์มีขนาดเล็กมาก (0.05%) ความหนาแน่นที่ชัดเจนของสารละลายซีเมนต์ที่ดัดแปลงโดย HPMC2 นั้นโดยพื้นฐานแล้วจะใกล้เคียงกับความหนาแน่นของสารละลายซีเมนต์บริสุทธิ์ ซึ่งบ่งชี้ว่าผลของเซลลูโลสอีเทอร์ต่อความพรุนของซีเมนต์ สารละลายมีขนาดเล็กมาก

2.2 รูขุมขนกว้าง

ตามภาพถ่ายส่วนของสารละลายซีเมนต์เซลลูโลสอีเทอร์ที่ถ่ายโดยกล้องดิจิตอล สารละลายซีเมนต์บริสุทธิ์มีความหนาแน่นมาก แทบไม่มีรูขุมขนที่มองเห็นได้ สารละลายเซลลูโลสอีเทอร์ที่ดัดแปลงสี่ชนิดที่มีอัตราส่วนซีเมนต์ 0.60% ล้วนมีรูพรุนขนาดใหญ่มากขึ้น ซึ่งบ่งชี้ว่าเซลลูโลสอีเทอร์นำไปสู่การเพิ่มความพรุนของสารละลายซีเมนต์ เช่นเดียวกับผลลัพธ์ของการทดสอบความหนาแน่นปรากฏ ผลกระทบของประเภทและปริมาณเซลลูโลสอีเทอร์ที่แตกต่างกันต่อความพรุนของสารละลายซีเมนต์ค่อนข้างแตกต่างกันมาก ความหนืดของสารละลายดัดแปลง HEC, HPMC2 และ MC นั้นคล้ายกัน แต่ความพรุนของสารละลายดัดแปลง HEC นั้นน้อยกว่าของสารละลายดัดแปลง HPMC2 และ MC แม้ว่า HPMC1 และ HPMC2 จะมีเนื้อหากลุ่มคล้ายกัน แต่สารละลายผสมที่ดัดแปลงด้วย HPMC1 ที่มีความหนืดต่ำกว่าจะมีรูพรุนน้อยกว่า เมื่ออัตราส่วนซีเมนต์ต่อซีเมนต์ของสารละลายดัดแปลง HPMc2 มีขนาดเล็กมาก (0.05%) จำนวนรูพรุนขนาดมหภาคจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยกว่าของสารละลายซีเมนต์บริสุทธิ์ แต่ลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับสารละลายดัดแปลงของ HPMC2 ที่มีซีเมนต์ 0.60% ถึง -อัตราส่วนซีเมนต์

2.3 รูขุมขนด้วยกล้องจุลทรรศน์

4. บทสรุป

(1) เซลลูโลสอีเทอร์สามารถเพิ่มความพรุนของสารละลายซีเมนต์ได้

(2) ผลกระทบของเซลลูโลสอีเทอร์ต่อความพรุนของสารละลายซีเมนต์ที่มีพารามิเตอร์โครงสร้างโมเลกุลต่างกันจะแตกต่างกัน: เมื่อความหนืดของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลงเซลลูโลสอีเทอร์มีความคล้ายคลึงกัน ความพรุนของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง HEC จะมีขนาดเล็กกว่าของ HPMC และ MC ที่ดัดแปลง สารละลายซีเมนต์ ยิ่งความหนืด/น้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์ของ HPMC เซลลูโลสอีเทอร์ที่มีปริมาณกลุ่มใกล้เคียงกันต่ำลง ความพรุนของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลงก็จะยิ่งต่ำลง

(3) หลังจากเติมเซลลูโลสอีเทอร์ลงในสารละลายซีเมนต์แล้ว แรงตึงผิวของเฟสของเหลวจะลดลง เพื่อให้สารละลายซีเมนต์สร้างฟองได้ง่าย และมีการดูดซับทิศทางของโมเลกุลเซลลูโลสอีเทอร์ในอินเทอร์เฟซของก๊าซและของเหลวแบบฟอง ปรับปรุงความแข็งแรงและความเหนียวของ การดูดซับฟิล์มฟองสบู่ในส่วนต่อประสานก๊าซและของเหลวแบบฟองช่วยเพิ่มความแข็งแรงของฟิล์มของเหลวฟองและเสริมสร้างความสามารถของโคลนที่เหนียวเพื่อรักษาเสถียรภาพของฟอง