Ефір целюлози в продуктах на основі цементу

Ефір целюлози є різновидом багатоцільової добавки, яка може використовуватися в цементних продуктах. У цьому документі представлені хімічні властивості метилцелюлози (MC) і гідроксипропілметилцелюлози (HPMC /), які зазвичай використовуються в цементних продуктах, метод і принцип чистого розчину та основні характеристики розчину. На основі практичного виробничого досвіду обговорено зниження температури та в'язкості термогелю в цементних виробах.

Ключові слова:ефір целюлози; Метилцелюлоза;Гідроксипропілметилцелюлоза; Температура гарячого гелю; в'язкість

1. Огляд

Ефір целюлози (скорочено CE) виготовляється з целюлози за допомогою реакції етерифікації одним або декількома етерифікуючими агентами та сухим подрібненням. CE можна розділити на іонні та неіонні типи, серед яких неіонний тип CE через його унікальні характеристики термічного гелю та розчинність, солостійкість, термостійкість і має відповідну поверхневу активність. Його можна використовувати як водоутримуючий агент, суспензійний агент, емульгатор, плівкоутворюючий агент, мастило, клей і реологічний покращувач. Основні зарубіжні галузі споживання - латексні покриття, будівельні матеріали, нафтові буріння тощо. Порівняно з зарубіжними країнами, виробництво та застосування водорозчинного ХЕ все ще знаходиться в зародковому стані. З покращенням здоров’я та екологічної свідомості людей. Великий розвиток матиме водорозчинний ХЕ, який є нешкідливим для фізіології та не забруднює навколишнє середовище.

У галузі будівельних матеріалів зазвичай вибирають CE - це метилцелюлоза (MC) і гідроксипропілметилцелюлоза (HPMC), які можуть використовуватися як пластифікатор фарби, штукатурки, розчину та цементу, пластифікатор, загущувач, водоутримувач, повітротягувач і сповільнювач. Більшість промисловості будівельних матеріалів використовується при нормальній температурі, використовуючи умови сухого порошку суміші та води, менше залучаючи характеристики розчинення та характеристики гарячого гелю CE, але в механізованому виробництві цементних виробів та інших спеціальних температурних умовах ці характеристики CE відіграватиме більш повноцінну роль.

2. Хімічні властивості ХЕ

CE отримують шляхом обробки целюлози за допомогою ряду хімічних і фізичних методів. Відповідно до різної хімічної структури заміщення, зазвичай можна розділити на: MC, HPMC, гідроксіетилцелюлозу (HEC) тощо. Кожна CE має основну структуру целюлози — зневоднену глюкозу. У процесі виробництва ХЕ целюлозні волокна спочатку нагрівають у лужному розчині, а потім обробляють етерифікуючими агентами. Волокнисті продукти реакції очищають і подрібнюють з утворенням однорідного порошку певної тонкості.

Виробничий процес MC використовує лише хлорид метану як етерифікатор. На додаток до використання хлориду метану, виробництво HPMC також використовує пропіленоксид для отримання гідроксипропілових груп-замісників. Різні CE мають різну швидкість заміщення метилу та гідроксипропілу, що впливає на органічну сумісність і температуру термічного гелю розчину CE.

Кількість груп заміщення на зневоднених глюкозних структурних одиницях целюлози може бути виражено масовим відсотком або середнім числом груп заміщення (тобто DS — ступінь заміщення). Кількість груп-замісників визначає властивості продуктів КЕ. Вплив середнього ступеня заміщення на розчинність продуктів етерифікації виглядає наступним чином:

(1) низький ступінь заміщення, розчинний у лугу;

(2) трохи високий ступінь заміщення, розчинний у воді;

(3) високий ступінь заміщення, розчинений у полярних органічних розчинниках;

(4) Вищий ступінь заміщення, розчинений у неполярних органічних розчинниках.

3. Метод розчинення КЕ

CE має унікальну властивість розчинності: коли температура підвищується до певної температури, він стає нерозчинним у воді, але нижче цієї температури його розчинність зростатиме зі зниженням температури. ХЕ розчиняється в холодній воді (і в деяких випадках у специфічних органічних розчинниках) через процес набухання та гідратації. Розчини КЕ не мають очевидних обмежень розчинності, які виникають при розчиненні іонних солей. Концентрація CE, як правило, обмежена в’язкістю, яку можна контролювати за допомогою виробничого обладнання, а також змінюється відповідно до в’язкості та різновиду хімічних речовин, необхідних користувачеві. Концентрація розчину CE з низькою в’язкістю зазвичай становить 10% ~ 15%, а CE з високою в’язкістю зазвичай обмежується 2% ~ 3%. Різні типи CE (такі як порошок або порошок з обробленою поверхнею або гранулят) можуть впливати на спосіб приготування розчину.

3.1 CE без обробки поверхні

Хоча CE розчинний у холодній воді, він повинен бути повністю диспергований у воді, щоб уникнути утворення грудок. У деяких випадках для диспергування порошку CE можна використовувати високошвидкісний міксер або воронку в холодній воді. Однак, якщо необроблений порошок додати безпосередньо в холодну воду без достатнього перемішування, утворяться значні грудочки. Основною причиною злежування є те, що частинки порошку CE не повністю вологі. Коли лише частина порошку розчиняється, утворюється гелева плівка, яка запобігає продовженню розчинення порошку, що залишився. Тому перед розчиненням частинки ХЕ повинні бути повністю дисперговані, наскільки це можливо. Зазвичай використовуються наступні два методи дисперсії.

3.1.1 Метод диспергування сухих сумішей

Цей метод найчастіше використовується в цементних виробах. Перед додаванням води рівномірно змішайте інший порошок з порошком CE, щоб частинки порошку CE розсіялися. Мінімальне співвідношення змішування: інший порошок: порошок CE = (3 ~ 7) : 1.

У цьому методі дисперсія CE завершується в сухому стані, використовуючи інший порошок як середовище для диспергування частинок CE одна з одною, щоб уникнути взаємного зв’язування частинок CE під час додавання води та впливу на подальше розчинення. Тому для диспергування не потрібна гаряча вода, але швидкість розчинення залежить від частинок порошку та умов перемішування.

3.1.2 Метод диспергування гарячою водою

(1) Першу 1/5~1/3 необхідної води для нагрівання до 90C вище, додайте CE, а потім перемішуйте, поки всі частинки не стануть вологими, а потім воду, що залишилася, додайте в холодну або крижану воду, щоб знизити температуру Після досягнення температури розчинення CE порошок почав гідратуватися, в’язкість збільшилася.

(2) Ви також можете нагріти всю воду, а потім додати CE для перемішування під час охолодження до завершення гідратації. Достатнє охолодження дуже важливо для повної гідратації CE і утворення в'язкості. Для ідеальної в’язкості розчин MC слід охолодити до 0~5 ℃, тоді як HPMC потрібно охолодити лише до 20 ~ 25 ℃ або нижче. Оскільки повна гідратація вимагає достатнього охолодження, розчини HPMC зазвичай використовуються там, де не можна використовувати холодну воду: згідно з інформацією, HPMC має менше зниження температури, ніж MC, за нижчих температур для досягнення такої ж в’язкості. Варто зазначити, що метод диспергування гарячою водою забезпечує рівномірне розсіювання частинок CE лише при вищій температурі, але в цей час розчин не утворюється. Для отримання розчину з певною в'язкістю його необхідно знову охолодити.

3.2 Поверхнево оброблений диспергований CE порошок

У багатьох випадках вимагається, щоб СЕ мав як здатність до диспергування, так і характеристику швидкої гідратації (утворення в’язкості) у холодній воді. CE з поверхневою обробкою тимчасово нерозчинний у холодній воді після спеціальної хімічної обробки, що гарантує, що коли CE додається до води, він не буде відразу утворювати очевидну в’язкість і може бути диспергований за умов відносно невеликої сили зсуву. «Час затримки» гідратації або утворення в’язкості є результатом комбінації ступеня обробки поверхні, температури, pH системи та концентрації розчину CE. Затримка гідратації зазвичай зменшується при вищих концентраціях, температурах і рівнях pH. Загалом, однак, концентрація СЕ не враховується, поки вона не досягне 5% (масове співвідношення води).

Для досягнення найкращих результатів і повної гідратації оброблену поверхню CE слід перемішувати протягом декількох хвилин у нейтральних умовах, з діапазоном pH від 8,5 до 9,0, до досягнення максимальної в’язкості (зазвичай 10-30 хвилин). Коли рН змінюється на основний (рН від 8,5 до 9,0), CE, оброблена поверхнею, повністю та швидко розчиняється, і розчин може бути стабільним при рН від 3 до 11. Однак важливо зазначити, що регулювання рН суспензії високої концентрації призведе до того, що в’язкість буде занадто високою для перекачування та заливки. Рівень pH слід відкоригувати після того, як суспензію буде розведено до бажаної концентрації.

Підводячи підсумок, процес розчинення ХЕ включає два процеси: фізичну дисперсію та хімічне розчинення. Головне – диспергувати частинки CE одна з одною перед розчиненням, щоб уникнути агломерації через високу в’язкість під час розчинення при низькій температурі, що вплине на подальше розчинення.

4. Властивості розчину КЕ

Різні види водних розчинів СЕ желатинують за певних температур. Гель повністю оборотний і при повторному охолодженні утворює розчин. Оборотне термогелеутворення CE є унікальним. У багатьох цементних продуктах основне використання в'язкості CE та відповідних водоутримуючих і змащувальних властивостей, а також в'язкість і температура гелю мають прямий зв'язок, під температурою гелю, чим нижча температура, тим вище в'язкість CE, тим краще відповідна продуктивність утримання води.

Сучасне пояснення феномену гелю таке: у процесі розчинення це подібне

Полімерні молекули нитки з'єднуються з молекулярним шаром води, що призводить до набухання. Молекули води діють як мастило, яке може розривати довгі ланцюжки полімерних молекул, так що розчин має властивості в’язкої рідини, яку легко скинути. При підвищенні температури розчину полімер целюлози поступово втрачає воду і в'язкість розчину зменшується. Коли точка гелеутворення досягається, полімер повністю зневоднюється, що призводить до зв’язку між полімерами та утворення гелю: міцність гелю продовжує зростати, оскільки температура залишається вище точки гелю.

Коли розчин охолоджується, гель починає змінюватися, і в'язкість зменшується. Нарешті, в'язкість охолоджуючого розчину повертається до початкової кривої підвищення температури і збільшується зі зниженням температури. Розчин можна охолодити до початкового значення в'язкості. Таким чином, термогелевий процес CE є оборотним.

Основна роль CE у цементних продуктах полягає в якості загущувача, пластифікатора та агента, що утримує воду, тому те, як контролювати в’язкість і температуру гелю, стало важливим фактором у цементних продуктах, як правило, використовують початкову точку температури гелю нижче ділянки кривої, отже, чим нижча температура, тим вища в’язкість, тим очевидніший ефект утримання води в’язкувачем. Результати випробувань лінії виробництва екструзійної цементної плити також показують, що чим нижча температура матеріалу при однаковому вмісті CE, тим кращий ефект з’єднання та утримання води. Оскільки цементна система є надзвичайно складною системою фізичних і хімічних властивостей, існує багато факторів, що впливають на зміну температури та в’язкості гелю CE. І вплив різних тенденцій та ступеня Taianin не однакові, тому практичне застосування також виявило, що після змішування цементної системи фактична температура гелю CE (тобто ефект утримання клею та води знижується дуже очевидно при цій температурі ) нижчі за температуру гелю, яку вказує продукт, тому при виборі продуктів CE необхідно враховувати фактори, що спричиняють зниження температури гелю. Нижче наведено основні фактори, які, на нашу думку, впливають на в’язкість і температуру гелю розчину CE в цементних продуктах.

4.1 Вплив значення pH на в'язкість

MC і HPMC є неіонними, тому в’язкість розчину, ніж в’язкість природного іонного клею, має ширший діапазон стабільності DH, але якщо значення pH перевищує діапазон 3 ~ 11, вони поступово знижуватимуть в’язкість при при високій температурі або при зберіганні протягом тривалого періоду часу, особливо високов'язкого розчину. В’язкість розчину продукту CE зменшується в розчині сильної кислоти або сильної основи, що в основному пов’язано з дегідратацією CE, спричиненою основою та кислотою. Тому в'язкість СЕ зазвичай до певної міри знижується в лужному середовищі цементних виробів.

4.2 Вплив швидкості нагрівання та перемішування на процес гелеутворення

На температуру гелевої точки впливатиме комбінований ефект швидкості нагрівання та швидкості зсуву при перемішуванні. Висока швидкість перемішування та швидке нагрівання, як правило, значно підвищують температуру гелю, що є сприятливим для цементних продуктів, утворених механічним змішуванням.

4.3 Вплив концентрації на гарячий гель

Збільшення концентрації розчину зазвичай знижує температуру гелю, і точки гелю низької в'язкості CE вищі, ніж точки високої в'язкості CE. Наприклад, METHOCEL A від DOW

Температура гелю буде знижуватися на 10 ℃ на кожні 2% збільшення концентрації продукту. Збільшення на 2% концентрації продуктів F-типу знизить температуру гелю на 4 ℃.

4.4 Вплив добавок на термогелеутворення

У галузі будівельних матеріалів багато матеріалів є неорганічними солями, які матимуть значний вплив на температуру гелю розчину CE. Залежно від того, чи діє добавка як коагулянт чи солюбілізатор, деякі добавки можуть підвищувати температуру термогелю CE, тоді як інші можуть знижувати температуру термогелю CE: наприклад, етанол, що покращує розчинник, PEG-400 (поліетиленгліколь) , анедіол тощо, можуть збільшити точку гелеутворення. Солі, гліцерин, сорбітол та інші речовини знижують точку гелеутворення, неіонні CE зазвичай не будуть осідати через іони полівалентних металів, але коли концентрація електроліту або інших розчинених речовин перевищує певну межу, продукти CE можуть висолюватися в розчину, це пов’язано з конкуренцією електролітів з водою, що призводить до зменшення гідратації CE. Вміст солі в розчині продукту CE, як правило, дещо вищий, ніж у продукті Mc, а вміст солі дещо відрізняється в різних HPMC.

Багато інгредієнтів у цементних продуктах призведуть до зниження точки гелеутворення CE, тому при виборі добавок слід враховувати, що це може призвести до зміни точки гелеутворення та в’язкості CE.

5.Висновок

(1) ефір целюлози є природною целюлозою через реакцію етерифікації, має основну структурну одиницю зневодненої глюкози, відповідно до типу та кількості груп замісників у положенні заміни та має різні властивості. Неіонний ефір, такий як MC і HPMC, можна використовувати як загущувач, агент для утримання води, агент для залучення повітря та інші широко використовувані в продуктах будівельних матеріалів.

(2) CE має унікальну розчинність, утворюючи розчин за певної температури (наприклад, температури гелю) і утворюючи твердий гель або суміш твердих частинок за температури гелю. Основними методами розчинення є метод дисперсії сухого змішування, метод дисперсії гарячою водою тощо, у цементних продуктах зазвичай використовується метод дисперсії сухого змішування. Головне — рівномірно диспергувати СЕ, перш ніж він розчиниться, утворюючи розчин за низьких температур.

(3) Концентрація розчину, температура, значення pH, хімічні властивості добавок і швидкість перемішування впливатимуть на температуру гелю та в'язкість розчину CE, особливо цементні продукти є розчинами неорганічної солі в лужному середовищі, зазвичай знижують температуру гелю та в'язкість розчину CE , приносячи несприятливі наслідки. Отже, за характеристиками КЕ, по-перше, його слід використовувати при низькій температурі (нижче температури гелю), а по-друге, слід враховувати вплив добавок.