Розробка нових ефірів целюлози HEMC для зменшення агломерації в штукатурках, що наносяться машинним напиленням на гіпсовій основі

Розробка нових ефірів целюлози HEMC для зменшення агломерації в штукатурках, що наносяться машинним напиленням на гіпсовій основі

Гіпсова штукатурка машинного напилення (ГСП) широко використовується в Західній Європі з 1970-х років. Поява механічного напилення ефективно підвищила ефективність штукатурних конструкцій, одночасно знизивши витрати на будівництво. З поглибленням комерціалізації GSP, водорозчинний ефір целюлози став ключовою добавкою. Ефір целюлози надає GSP хороші властивості утримання води, що обмежує поглинання вологи основою штукатурки, завдяки чому забезпечується стабільний час схоплювання та хороші механічні властивості. Крім того, специфічна реологічна крива ефіру целюлози може покращити ефект машинного напилення та значно спростити наступні процеси вирівнювання розчину та обробки.

Незважаючи на очевидні переваги ефірів целюлози в застосуванні GSP, він також потенційно може сприяти утворенню сухих грудок під час розпилення. Ці незволожені грудки також відомі як злипання або злипання, і вони можуть негативно вплинути на вирівнювання та обробку розчину. Агломерація може знизити ефективність об’єкта та збільшити вартість застосування високоефективних гіпсових виробів. Щоб краще зрозуміти вплив ефірів целюлози на утворення грудок у GSP, ми провели дослідження, щоб спробувати визначити відповідні параметри продукту, які впливають на їх утворення. На основі результатів цього дослідження ми розробили серію ефірних продуктів целюлози зі зниженою тенденцією до агломерації та оцінили їх у практичному застосуванні.

Ключові слова: ефір целюлози; гіпсова штукатурка машинним напиленням; швидкість розчинення; морфологія частинок

1. вступ

Водорозчинні ефіри целюлози успішно використовуються в штукатурках машинного напилення (GSP) на основі гіпсу для регулювання потреби у воді, покращення водоутримання та покращення реологічних властивостей будівельних розчинів. Таким чином, це допомагає покращити характеристики мокрого розчину, тим самим забезпечуючи необхідну міцність розчину. Завдяки своїм комерційно життєздатним і екологічно чистим властивостям, суха суміш GSP стала широко використовуваним внутрішнім будівельним матеріалом у всій Європі за останні 20 років.

Обладнання для змішування та розпилення сухої суміші GSP успішно комерціалізується протягом десятиліть. Незважаючи на те, що деякі технічні характеристики обладнання від різних виробників відрізняються, усі комерційно доступні машини для розпилення дозволяють дуже обмежений час перемішування води з гіпсовим розчином, що містить ефір целюлози. Як правило, весь процес змішування займає лише кілька секунд. Після змішування вологий розчин прокачується через шланг подачі та розпилюється на стіну основи. Весь процес завершується протягом хвилини. Однак за такий короткий проміжок часу ефіри целюлози повинні бути повністю розчинені, щоб повністю розвинути свої властивості в застосуванні. Додавання дрібно подрібнених ефірів целюлози до складу гіпсового розчину забезпечує повне розчинення під час цього процесу розпилення.

Дрібно подрібнений ефір целюлози швидко набуває консистенції при контакті з водою під час перемішування в розпилювачі. Швидке підвищення в'язкості, викликане розчиненням ефіру целюлози, викликає проблеми з одночасним змочуванням водою частинок гіпсового цементного матеріалу. Коли вода починає густіти, вона стає менш текучою і не може проникнути в дрібні пори між частинками гіпсу. Після перекриття доступу до пор процес змочування частинок цементного матеріалу водою затримується. Час змішування в розпилювачі був коротшим, ніж час, необхідний для повного зволоження частинок гіпсу, що призвело до утворення грудок сухого порошку у свіжому вологому розчині. Утворившись, ці грудки знижують ефективність робітників у наступних процесах: вирівнювання розчину з грудками дуже клопітно і займає більше часу. Навіть після того, як розчин схопився, спочатку утворені грудки можуть з’явитися. Наприклад, покриття грудок всередині під час будівництва призведе до появи темних ділянок на пізнішому етапі, які ми не хочемо бачити.

Незважаючи на те, що прості ефіри целюлози використовувалися як добавки до GSP протягом багатьох років, їх вплив на утворення незмочених грудок досі мало вивчений. У цій статті представлено систематичний підхід, який можна використати для розуміння першопричини агломерації з точки зору ефіру целюлози.

2. Причини утворення незмочених грудок у ГСП

2.1 Змочування штукатурок на гіпсовій основі

На ранніх етапах створення дослідницької програми було зібрано низку можливих основних причин утворення згустків у CSP. Далі, за допомогою комп’ютерного аналізу, проблема зосереджується на тому, чи існує практичне технічне рішення. Завдяки цим роботам було попередньо відібрано оптимальне рішення формування агломератів у ГСП. З технічних і комерційних міркувань технічний спосіб зміни змочування частинок гіпсу шляхом обробки поверхні виключається. З комерційної точки зору ідея заміни існуючого обладнання на розпилювальне обладнання зі спеціально розробленою камерою змішування, яка може забезпечити достатнє змішування води та розчину, виключається.

Іншим варіантом є використання зволожувачів як добавок до складу гіпсової штукатурки, і ми вже знайшли патент на це. Однак додавання цієї добавки неминуче негативно позначається на легкоукладальності штукатурки. Що ще важливіше, це змінює фізичні властивості розчину, особливо твердість і міцність. Тому ми не надто глибоко в це вникали. Крім того, вважається, що додавання змочувачів також може мати негативний вплив на навколишнє середовище.

Враховуючи, що ефір целюлози вже є частиною складу штукатурки на основі гіпсу, оптимізація самого ефіру целюлози стає найкращим рішенням, яке можна вибрати. У той же час він не повинен впливати на водоутримуючі властивості або негативно впливати на реологічні властивості штукатурки, що використовується. Базуючись на раніше висунутій гіпотезі про те, що утворення незмочених порошків у GSP відбувається через надто швидке збільшення в’язкості ефірів целюлози після контакту з водою під час перемішування, контроль характеристик розчинення ефірів целюлози став основною метою нашого дослідження. .

2.2 Час розчинення ефіру целюлози

Простим способом уповільнити швидкість розчинення ефірів целюлози є використання гранульованих продуктів. Основним недоліком використання цього підходу в GSP є те, що занадто грубі частинки не розчиняються повністю протягом короткого 10-секундного вікна перемішування в розпилювачі, що призводить до втрати утримання води. Крім того, набухання нерозчиненого ефіру целюлози на пізній стадії призведе до потовщення після штукатурки та вплине на ефективність конструкції, чого ми не хочемо бачити.

Іншим варіантом зниження швидкості розчинення ефірів целюлози є оборотне зшивання поверхні ефірів целюлози гліоксалем. Однак, оскільки реакція зшивання контролюється pH, швидкість розчинення ефірів целюлози сильно залежить від pH навколишнього водного розчину. Значення рН системи GSP, змішаної з гашеним вапном, дуже високе, а поперечні зв’язки гліоксалю на поверхні швидко розкриваються після контакту з водою, і в’язкість починає миттєво зростати. Таким чином, такі хімічні обробки не можуть відігравати роль у контролі швидкості розчинення в GSP.

Час розчинення ефірів целюлози також залежить від морфології їх частинок. Однак цьому факту досі не приділено особливої ​​уваги, хоча ефект дуже значний. Вони мають постійну лінійну швидкість розчинення [кг/(м2•s)], тому їх розчинення та збільшення в'язкості пропорційні доступній поверхні. Ця швидкість може значно змінюватися зі змінами морфології целюлозних частинок. У наших розрахунках припускається, що повна в'язкість (100%) досягається після 5 секунд перемішування.

Розрахунки різних морфологій частинок показали, що сферичні частинки мали в'язкість 35% від кінцевої в'язкості за половину часу змішування. У той же період часу паличкоподібні частинки ефіру целюлози можуть досягати лише 10%. Після цього дископодібні частинки почали розчинятися2,5 секунди.

Також включені характеристики ідеальної розчинності для ефірів целюлози в GSP. Затримка початкового наростання в'язкості більш ніж на 4,5 секунди. Після цього в’язкість швидко зростала, щоб досягти кінцевої в’язкості протягом 5 секунд після перемішування. У GSP такий тривалий час затримки розчинення дозволяє системі мати низьку в'язкість, а додана вода може повністю змочити частинки гіпсу та увійти в пори між частинками без порушення.

3. Морфологія частинок ефіру целюлози

3.1 Вимірювання морфології частинок

Оскільки форма частинок ефіру целюлози має такий значний вплив на розчинність, спочатку необхідно визначити параметри, що описують форму частинок ефіру целюлози, а потім визначити відмінності між незмочуваними. Утворення агломератів є особливо важливим параметром. .

Ми отримали морфологію частинок ефіру целюлози методом динамічного аналізу зображень. Морфологію частинок ефірів целюлози можна повністю охарактеризувати за допомогою цифрового аналізатора зображень SYMPATEC (виробленого в Німеччині) і спеціальних інструментів аналізу програмного забезпечення. Було виявлено, що найважливішими параметрами форми частинок є середня довжина волокон, виражена як LEFI (50,3), і середній діаметр, виражений як DIFI (50,3). Дані середньої довжини волокна вважаються повною довжиною певної розподіленої частинки ефіру целюлози.

Зазвичай дані про розподіл частинок за розміром, такі як середній діаметр волокна DIFI, можуть бути розраховані на основі кількості частинок (позначено 0), довжини (позначено 1), площі (позначено 2) або об’єму (позначено 3). Усі вимірювання даних про частинки в цьому документі базуються на об’ємі, тому позначаються суфіксом 3. Наприклад, у DIFI(50,3) 3 означає розподіл за об’ємом, а 50 означає, що 50% кривої розподілу частинок за розміром менше вказаного значення, а інші 50% більше зазначеного значення. Дані про форму частинок ефіру целюлози наведено в мікрометрах (мкм).

3.2 Ефір целюлози після оптимізації морфології частинок

Беручи до уваги вплив поверхні частинок, час розчинення частинок ефіру целюлози з стержнеподібною формою сильно залежить від середнього діаметра волокна DIFI (50,3). Виходячи з цього припущення, робота з розробки ефірів целюлози була спрямована на отримання продуктів з більшим середнім діаметром волокна DIFI (50,3) для поліпшення розчинності порошку.

Однак очікується, що збільшення середньої довжини волокна DIFI(50,3) не супроводжуватиметься збільшенням середнього розміру частинок. Збільшення обох параметрів разом призведе до того, що частинки будуть занадто великими, щоб повністю розчинитися протягом типового 10-секундного часу перемішування механічного розпилення.

Отже, ідеальна гідроксиетилметилцелюлоза (HEMC) повинна мати більший середній діаметр волокна DIFI(50,3) при збереженні середньої довжини волокна LEFI(50,3). Ми використовуємо новий процес виробництва ефіру целюлози для виробництва покращеного HEMC. Форма частинок водорозчинного ефіру целюлози, отриманого за допомогою цього процесу виробництва, повністю відрізняється від форми частинок целюлози, яка використовується як сировина для виробництва. Іншими словами, виробничий процес дозволяє формуванню частинок ефіру целюлози не залежати від сировини для його виробництва.

Три зображення скануючого електронного мікроскопа: одне ефіру целюлози, виробленого за стандартним процесом, і одне ефіру целюлози, виробленого за новим процесом із більшим діаметром DIFI (50,3), ніж продукти звичайних інструментів. Також показано морфологію тонко подрібненої целюлози, яка використовується у виробництві цих двох продуктів.

Порівнюючи електронні мікрофотографії целюлози та ефіру целюлози, отримані стандартним процесом, легко виявити, що вони мають схожі морфологічні характеристики. Велика кількість частинок на обох зображеннях демонструє типові довгі тонкі структури, що свідчить про те, що основні морфологічні особливості не змінилися навіть після того, як відбулася хімічна реакція. Зрозуміло, що характеристики морфології частинок продуктів реакції сильно корелюють із сировиною.

Було виявлено, що морфологічні характеристики ефіру целюлози, отриманого за новим процесом, значно відрізняються, він має більший середній діаметр DIFI (50,3), і в основному представляє круглі короткі та товсті частинки, тоді як типові тонкі та довгі частинки у целюлозній сировині Майже вимер.

Цей малюнок ще раз показує, що морфологія частинок ефірів целюлози, отриманих за допомогою нового процесу, більше не пов’язана з морфологією целюлозної сировини – зв’язок між морфологією сировини та кінцевим продуктом більше не існує.

4. Вплив морфології частинок HEMC на утворення незмочених згустків у GSP

GSP було протестовано в умовах польового застосування, щоб переконатися, що наша гіпотеза щодо робочого механізму (що використання продукту ефіру целюлози з більшим середнім діаметром DIFI (50,3) зменшить небажану агломерацію) була правильною. У цих експериментах використовували HEMC із середнім діаметром DIFI(50,3) від 37 мкм до 52 мкм. Щоб мінімізувати вплив інших факторів, окрім морфології частинок, гіпсову штукатурну основу та всі інші добавки залишили без змін. В'язкість ефіру целюлози підтримувалася постійною протягом випробування (60000 мПа·с, 2% водний розчин, виміряний реометром HAAKE).

Під час випробувань нанесення використовувався наявний у продажу розпилювач гіпсу (PFT G4). Зосередьтеся на оцінці утворення незволожених грудок гіпсового розчину відразу після його нанесення на стіну. Оцінка утворення грудок на цьому етапі протягом усього процесу нанесення штукатурки найкраще виявить відмінності в характеристиках продукту. Під час випробування досвідчені працівники оцінювали ситуацію злипання, причому 1 була найкращою, а 6 – найгіршою.

Результати випробувань чітко показують кореляцію між середнім діаметром волокна DIFI (50,3) і показником ефективності злипання. У відповідності з нашою гіпотезою про те, що ефір целюлози з більшим DIFI(50,3) перевершує продукти з меншим DIFI(50,3), середній бал для DIFI(50,3) 52 мкм становив 2 (добре), тоді як для продуктів з DIFI( 50,3) 37 мкм і 40 мкм отримали 5 балів (відмова).

Як ми очікували, поведінка утворення грудок у застосуваннях GSP значно залежить від середнього діаметра DIFI(50,3) використовуваного ефіру целюлози. Крім того, у попередньому обговоренні було зазначено, що серед усіх морфологічних параметрів DIFI(50,3) сильно вплинув на час розчинення порошків ефіру целюлози. Це підтверджує, що час розчинення ефіру целюлози, який сильно корелює з морфологією частинок, зрештою впливає на утворення згустків у GSP. Більший DIFI (50,3) спричиняє довший час розчинення порошку, що значно знижує ймовірність агломерації. Однак занадто довгий час розчинення порошку ускладнить повне розчинення ефіру целюлози протягом часу перемішування обладнання для розпилення.

Новий продукт HEMC з оптимізованим профілем розчинення завдяки більшому середньому діаметру волокон DIFI(50,3) не тільки покращує змочування гіпсового порошку (як видно з оцінки злипання), але також не впливає на ефективність утримання води гіпсовим порошком. продукт. Утримування води, виміряне згідно з EN 459-2, не відрізнялося від продуктів HEMC тієї ж в’язкості з DIFI(50,3) від 37 мкм до 52 мкм. Усі вимірювання через 5 хвилин і 60 хвилин потрапляють у необхідний діапазон, показаний на графіку.

Однак було також підтверджено, що якщо DIFI(50,3) стає занадто великим, частинки ефіру целюлози більше не розчиняться повністю. Це було виявлено під час тестування DIFI(50,3) продукту 59 мкМ. Результати тесту на утримання води через 5 хвилин і особливо через 60 хвилин не відповідають необхідному мінімуму.

5. Підведення підсумків

Прості ефіри целюлози є важливими добавками в композиціях GSP. Дослідницька робота та робота з розробки продукту розглядає кореляцію між морфологією частинок ефірів целюлози та утворенням незмочених грудок (так званих грудок) під час механічного розпилення. Він заснований на припущенні робочого механізму, що час розчинення порошку ефіру целюлози впливає на змочування гіпсового порошку водою і, таким чином, впливає на утворення грудок.

Час розчинення залежить від морфології частинок ефіру целюлози та може бути отриманий за допомогою інструментів аналізу цифрових зображень. У GSP прості ефіри целюлози з великим середнім діаметром DIFI (50,3) мають оптимізовані характеристики розчинення порошку, дозволяючи воді більше часу для ретельного змочування частинок гіпсу, таким чином забезпечуючи оптимальну антиагломерацію. Цей тип ефіру целюлози виробляється за допомогою нового процесу виробництва, і його форма частинок не залежить від початкової форми сировини для виробництва.

Середній діаметр волокна DIFI (50,3) має дуже важливий вплив на злипання, що було перевірено шляхом додавання цього продукту до комерційно доступної гіпсової основи для машинного розпилення для розпилення на місці. Крім того, ці польові тести розпилення підтвердили наші лабораторні результати: найкращі продукти ефіру целюлози з великим DIFI (50,3) були повністю розчинними в межах часового вікна перемішування GSP. Таким чином, ефір целюлози з найкращими властивостями запобігання злежуванню після покращення форми частинок все ще зберігає вихідну ефективність утримання води.