Xenlulo ete trong các sản phẩm gốc xi măng

Cellulose ether là một loại phụ gia đa năng có thể được sử dụng trong các sản phẩm xi măng. Bài báo này giới thiệu tính chất hóa học của methyl cellulose (MC) và hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC/) thường được sử dụng trong các sản phẩm xi măng, phương pháp, nguyên lý của dung dịch ròng và các đặc tính chính của dung dịch. Việc giảm nhiệt độ gel nhiệt và độ nhớt trong sản phẩm xi măng được thảo luận dựa trên kinh nghiệm sản xuất thực tế.

Từ khóa:ete xenlulo; Metyl xenlulo;Hydroxypropyl metyl xenluloza; Nhiệt độ gel nóng; độ nhớt

1. Tổng quan

Cellulose ether (gọi tắt là CE) được tạo thành từ cellulose thông qua phản ứng ether hóa của một hoặc một số tác nhân ether hóa và nghiền khô. CE có thể được chia thành loại ion và không ion, trong đó loại CE không ion vì đặc tính và độ hòa tan của gel nhiệt độc đáo, khả năng kháng muối, chịu nhiệt và có hoạt động bề mặt thích hợp. Nó có thể được sử dụng làm chất giữ nước, chất tạo huyền phù, chất nhũ hóa, chất tạo màng, chất bôi trơn, chất kết dính và chất cải tiến lưu biến. Các lĩnh vực tiêu thụ nước ngoài chính là sơn latex, vật liệu xây dựng, khoan dầu, v.v. So với nước ngoài, việc sản xuất và ứng dụng CE hòa tan trong nước vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Với việc nâng cao sức khỏe con người và nhận thức về môi trường. CE hòa tan trong nước, vô hại với sinh lý và không gây ô nhiễm môi trường sẽ có sự phát triển vượt bậc.

Trong lĩnh vực vật liệu xây dựng thường chọn CE là methyl cellulose (MC) và hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC), có thể dùng làm sơn, thạch cao, vữa và các sản phẩm xi măng, chất làm dẻo, chất nhớt, chất giữ nước, chất cuốn khí và chất làm chậm. Hầu hết ngành vật liệu xây dựng được sử dụng ở nhiệt độ thường, điều kiện sử dụng là bột trộn khô và nước, ít liên quan đến đặc tính hòa tan và đặc tính gel nóng của CE, nhưng trong sản xuất cơ giới hóa các sản phẩm xi măng và các điều kiện nhiệt độ đặc biệt khác, các đặc tính này của CE sẽ phát huy vai trò đầy đủ hơn.

2. Tính chất hóa học của CE

CE thu được bằng cách xử lý cellulose thông qua một loạt các phương pháp hóa học và vật lý. Theo cấu trúc thay thế hóa học khác nhau, thường có thể được chia thành: MC, HPMC, hydroxyethyl cellulose (HEC), v.v.: Mỗi CE có cấu trúc cơ bản là cellulose - glucose khử nước. Trong quá trình sản xuất CE, sợi xenlulo trước tiên được đun nóng trong dung dịch kiềm và sau đó được xử lý bằng chất ete hóa. Các sản phẩm phản ứng dạng sợi được tinh chế và nghiền thành bột để tạo thành một loại bột đồng nhất có độ mịn nhất định.

Quá trình sản xuất MC chỉ sử dụng metan clorua làm tác nhân ete hóa. Ngoài việc sử dụng metan clorua, việc sản xuất HPMC còn sử dụng propylene oxit để thu được nhóm thế hydroxypropyl. Các CE khác nhau có tốc độ thay thế methyl và hydroxypropyl khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng tương thích hữu cơ và nhiệt độ gel nhiệt của dung dịch CE.

Số lượng nhóm thay thế trên đơn vị cấu trúc glucose khử nước của xenlulô có thể được biểu thị bằng phần trăm khối lượng hoặc số lượng nhóm thay thế trung bình (ví dụ DS - Mức độ thay thế). Số lượng nhóm thế quyết định tính chất của sản phẩm CE. Ảnh hưởng của mức độ thay thế trung bình đến độ hòa tan của các sản phẩm ete hóa như sau:

(1) mức độ thay thế thấp hòa tan trong dung dịch kiềm;

(2) mức độ thay thế hòa tan trong nước hơi cao;

(3) mức độ thay thế cao hòa tan trong dung môi hữu cơ phân cực;

(4) Mức độ thay thế hòa tan trong dung môi hữu cơ không phân cực cao hơn.

3. Phương pháp hòa tan CE

CE có đặc tính hòa tan độc đáo, khi nhiệt độ tăng đến một nhiệt độ nhất định, nó không hòa tan trong nước, nhưng dưới nhiệt độ này, độ hòa tan của nó sẽ tăng lên khi nhiệt độ giảm. CE hòa tan trong nước lạnh (và trong một số trường hợp trong các dung môi hữu cơ cụ thể) thông qua quá trình trương nở và hydrat hóa. Dung dịch CE không có những hạn chế về độ hòa tan rõ ràng xuất hiện trong quá trình hòa tan muối ion. Nồng độ CE thường được giới hạn ở độ nhớt có thể được kiểm soát bởi thiết bị sản xuất và cũng thay đổi tùy theo độ nhớt và loại hóa chất mà người dùng yêu cầu. Nồng độ dung dịch của CE có độ nhớt thấp thường là 10% ~ 15% và CE có độ nhớt cao thường bị giới hạn ở mức 2% ~ 3%. Các loại CE khác nhau (chẳng hạn như bột hoặc bột hoặc dạng hạt được xử lý bề mặt) có thể ảnh hưởng đến cách chuẩn bị dung dịch.

3.1 CE không xử lý bề mặt

CE tuy hòa tan trong nước lạnh nhưng phải phân tán hoàn toàn trong nước để tránh bị vón cục. Trong một số trường hợp, có thể sử dụng máy trộn hoặc phễu tốc độ cao trong nước lạnh để phân tán bột CE. Tuy nhiên, nếu bột chưa qua xử lý được thêm trực tiếp vào nước lạnh mà không khuấy đều, sẽ hình thành các cục lớn. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng đóng bánh là do các hạt bột CE không bị ướt hoàn toàn. Khi chỉ hòa tan một phần bột, một màng gel sẽ được hình thành, ngăn không cho phần bột còn lại tiếp tục hòa tan. Do đó, trước khi hòa tan, các hạt CE phải được phân tán hoàn toàn càng xa càng tốt. Hai phương pháp phân tán sau đây thường được sử dụng.

3.1.1 Phương pháp phân tán hỗn hợp khô

Phương pháp này được sử dụng phổ biến nhất trong các sản phẩm xi măng. Trước khi thêm nước, trộn đều bột khác với bột CE để các hạt bột CE được phân tán. Tỷ lệ trộn tối thiểu: Bột khác: Bột CE = (3 ~ 7) : 1.

Trong phương pháp này, quá trình phân tán CE được hoàn thành ở trạng thái khô, sử dụng loại bột khác làm môi trường để phân tán các hạt CE với nhau, nhằm tránh sự liên kết lẫn nhau của các hạt CE khi thêm nước và ảnh hưởng đến quá trình hòa tan thêm. Do đó, không cần nước nóng để phân tán mà tốc độ hòa tan phụ thuộc vào các hạt bột và điều kiện khuấy.

3.1.2 Phương pháp phân tán bằng nước nóng

(1) 1/5 ~ 1/3 lượng nước cần đun nóng đầu tiên đến 90C ở trên, thêm CE, sau đó khuấy cho đến khi tất cả các hạt phân tán ướt, sau đó thêm nước còn lại vào nước lạnh hoặc nước đá để giảm nhiệt độ của dung dịch, khi đạt đến nhiệt độ hòa tan CE, bột bắt đầu hydrat hóa, độ nhớt tăng lên.

(2) Bạn cũng có thể đun nóng toàn bộ nước, sau đó thêm CE vào khuấy đều trong khi để nguội cho đến khi quá trình thủy hóa hoàn tất. Làm mát đầy đủ là rất quan trọng để hydrat hóa hoàn toàn CE và hình thành độ nhớt. Để có độ nhớt lý tưởng, dung dịch MC phải được làm lạnh đến 0 ~ 5oC, trong khi HPMC chỉ cần làm lạnh đến 20 ~ 25oC hoặc thấp hơn. Vì quá trình hydrat hóa hoàn toàn cần phải làm mát đầy đủ nên các giải pháp HPMC thường được sử dụng ở những nơi không thể sử dụng nước lạnh: theo thông tin, HPMC giảm nhiệt độ ít hơn MC ở nhiệt độ thấp hơn để đạt được cùng độ nhớt. Điều đáng chú ý là phương pháp phân tán bằng nước nóng chỉ làm cho các hạt CE phân tán đều ở nhiệt độ cao hơn chứ không tạo thành dung dịch vào thời điểm này. Để thu được dung dịch có độ nhớt nhất định, nó phải được làm lạnh lại.

3.2 Bột CE phân tán được xử lý bề mặt

Trong nhiều trường hợp, CE được yêu cầu phải có cả đặc tính phân tán và hydrat hóa nhanh (tạo thành độ nhớt) trong nước lạnh. CE được xử lý bề mặt tạm thời không hòa tan trong nước lạnh sau khi xử lý hóa học đặc biệt, điều này đảm bảo rằng khi CE được thêm vào nước, nó sẽ không hình thành độ nhớt rõ ràng ngay lập tức và có thể bị phân tán trong điều kiện lực cắt tương đối nhỏ. “Thời gian trễ” của quá trình hydrat hóa hoặc hình thành độ nhớt là kết quả của sự kết hợp giữa mức độ xử lý bề mặt, nhiệt độ, độ pH của hệ thống và nồng độ dung dịch CE. Độ trễ của quá trình hydrat hóa thường giảm ở nồng độ, nhiệt độ và độ pH cao hơn. Tuy nhiên, nói chung, nồng độ CE không được xem xét cho đến khi nó đạt tới 5% (tỷ lệ khối lượng của nước).

Để có kết quả tốt nhất và quá trình hydrat hóa hoàn toàn, nên khuấy CE đã xử lý bề mặt trong vài phút trong điều kiện trung tính, với phạm vi pH từ 8,5 đến 9,0, cho đến khi đạt độ nhớt tối đa (thường là 10-30 phút). Khi độ pH thay đổi thành cơ bản (pH 8,5 đến 9,0), CE được xử lý bề mặt sẽ hòa tan hoàn toàn và nhanh chóng, và dung dịch có thể ổn định ở độ pH từ 3 đến 11. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là điều chỉnh độ pH của bùn có nồng độ cao. sẽ khiến độ nhớt quá cao để bơm và đổ. Độ pH nên được điều chỉnh sau khi hỗn hợp đã được pha loãng đến nồng độ mong muốn.

Tóm lại, quá trình hòa tan CE bao gồm hai quá trình: phân tán vật lý và hòa tan hóa học. Điều quan trọng là phân tán các hạt CE với nhau trước khi hòa tan, để tránh sự kết tụ do độ nhớt cao trong quá trình hòa tan ở nhiệt độ thấp, điều này sẽ ảnh hưởng đến quá trình hòa tan thêm.

4. Tính chất của dung dịch CE

Các loại dung dịch nước CE khác nhau sẽ tạo gel ở nhiệt độ cụ thể của chúng. Gel hoàn toàn có thể đảo ngược và tạo thành dung dịch khi được làm lạnh trở lại. Sự tạo gel nhiệt thuận nghịch của CE là duy nhất. Trong nhiều sản phẩm xi măng, công dụng chính của độ nhớt CE và đặc tính giữ nước và bôi trơn tương ứng, độ nhớt và nhiệt độ gel có mối quan hệ trực tiếp, dưới nhiệt độ gel, nhiệt độ càng thấp thì độ nhớt của CE càng cao, hiệu suất giữ nước tương ứng càng tốt.

Lời giải thích hiện nay cho hiện tượng gel là: trong quá trình hòa tan, điều này cũng tương tự

Các phân tử polyme của sợi kết nối với lớp phân tử nước dẫn đến hiện tượng phồng lên. Các phân tử nước hoạt động giống như dầu bôi trơn, có thể kéo các chuỗi phân tử polymer dài ra xa nhau, do đó dung dịch có đặc tính của chất lỏng nhớt, dễ đổ ra. Khi nhiệt độ của dung dịch tăng lên, polyme cellulose mất dần nước và độ nhớt của dung dịch giảm. Khi đạt đến điểm gel, polyme bị mất nước hoàn toàn, dẫn đến liên kết giữa các polyme và sự hình thành gel: độ bền của gel tiếp tục tăng khi nhiệt độ duy trì trên điểm gel.

Khi dung dịch nguội đi, gel bắt đầu đảo ngược và độ nhớt giảm. Cuối cùng, độ nhớt của dung dịch làm mát trở về đường cong tăng nhiệt độ ban đầu và tăng khi nhiệt độ giảm. Dung dịch có thể được làm lạnh đến giá trị độ nhớt ban đầu. Vì vậy, quá trình tạo gel nhiệt của CE có thể thuận nghịch.

Vai trò chính của CE trong các sản phẩm xi măng là chất nhớt, chất làm dẻo và chất giữ nước, vì vậy cách kiểm soát độ nhớt và nhiệt độ gel đã trở thành một yếu tố quan trọng trong các sản phẩm xi măng thường sử dụng điểm nhiệt độ gel ban đầu bên dưới một phần của đường cong, Vì vậy, nhiệt độ càng thấp, độ nhớt càng cao thì tác dụng giữ nước của chất nhớt càng rõ ràng. Kết quả thử nghiệm dây chuyền sản xuất tấm xi măng ép đùn cũng cho thấy nhiệt độ vật liệu có cùng hàm lượng CE càng thấp thì hiệu quả tạo độ nhớt và giữ nước càng tốt. Vì hệ thống xi măng là một hệ thống tính chất vật lý và hóa học cực kỳ phức tạp nên có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ và độ nhớt của gel CE. Và ảnh hưởng của xu hướng và mức độ Taianin khác nhau là không giống nhau, vì vậy ứng dụng thực tế cũng nhận thấy rằng sau khi trộn hệ thống xi măng, điểm nhiệt độ gel thực tế của CE (nghĩa là hiệu ứng giữ keo và nước suy giảm rất rõ ràng ở nhiệt độ này ) thấp hơn nhiệt độ gel ghi trên sản phẩm, do đó, trong việc lựa chọn sản phẩm CE phải tính đến các yếu tố làm giảm nhiệt độ gel. Sau đây là những yếu tố chính mà chúng tôi cho rằng có ảnh hưởng đến độ nhớt và nhiệt độ gel của dung dịch CE trong sản phẩm xi măng.

4.1 Ảnh hưởng của giá trị pH đến độ nhớt

MC và HPMC không chứa ion nên độ nhớt của dung dịch so với độ nhớt của keo ion tự nhiên có phạm vi ổn định DH rộng hơn, nhưng nếu giá trị pH vượt quá phạm vi 3 ~ 11, chúng sẽ giảm dần độ nhớt ở mức nhiệt độ cao hơn hoặc bảo quản trong thời gian dài, đặc biệt là dung dịch có độ nhớt cao. Độ nhớt của dung dịch sản phẩm CE giảm trong dung dịch axit mạnh hoặc bazơ mạnh, nguyên nhân chủ yếu là do sự mất nước của CE do bazơ và axit gây ra. Vì vậy, độ nhớt của CE thường giảm ở một mức độ nhất định trong môi trường kiềm của sản phẩm xi măng.

4.2 Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt và khuấy trộn đến quá trình tạo gel

Nhiệt độ của điểm gel sẽ bị ảnh hưởng bởi tác động tổng hợp của tốc độ gia nhiệt và tốc độ cắt khuấy. Khuấy tốc độ cao và gia nhiệt nhanh nhìn chung sẽ làm tăng đáng kể nhiệt độ gel, điều này thuận lợi cho các sản phẩm xi măng được hình thành bằng phương pháp trộn cơ học.

4.3 Ảnh hưởng của nồng độ đến gel nóng

Việc tăng nồng độ của dung dịch thường làm giảm nhiệt độ gel và điểm gel có độ nhớt thấp CE cao hơn điểm gel có độ nhớt cao CE. Chẳng hạn như PHƯƠNG PHÁP A của DOW

Nhiệt độ gel sẽ giảm 10oC cho mỗi lần tăng 2% nồng độ của sản phẩm. Nồng độ của sản phẩm loại F tăng 2% sẽ làm giảm nhiệt độ gel xuống 4oC.

4.4 Ảnh hưởng của chất phụ gia đến quá trình tạo gel nhiệt

Trong lĩnh vực vật liệu xây dựng, nhiều loại vật liệu là muối vô cơ sẽ tác động không nhỏ đến nhiệt độ gel của dung dịch CE. Tùy thuộc vào việc chất phụ gia đóng vai trò là chất keo tụ hay chất hòa tan, một số chất phụ gia có thể làm tăng nhiệt độ gel nhiệt của CE, trong khi những chất phụ gia khác có thể làm giảm nhiệt độ gel nhiệt của CE: ví dụ, ethanol tăng cường dung môi, PEG-400(polyethylene glycol) , anediol, v.v., có thể làm tăng điểm gel. Muối, glycerin, sorbitol và các chất khác sẽ làm giảm điểm gel, CE không ion nói chung sẽ không bị kết tủa do các ion kim loại hóa trị nhiều, nhưng khi nồng độ chất điện phân hoặc các chất hòa tan khác vượt quá giới hạn nhất định, các sản phẩm CE có thể bị muối hóa trong dung dịch, điều này là do sự cạnh tranh của chất điện giải với nước, dẫn đến giảm quá trình hydrat hóa CE, Hàm lượng muối trong dung dịch của sản phẩm CE thường cao hơn một chút so với sản phẩm Mc và hàm lượng muối hơi khác một chút trong HPMC khác nhau.

Nhiều thành phần trong sản phẩm xi măng sẽ làm cho điểm gel của CE giảm xuống, vì vậy việc lựa chọn phụ gia cần lưu ý vì điều này có thể khiến điểm gel và độ nhớt của CE thay đổi.

5.Kết luận

(1) cellulose ether là cellulose tự nhiên thông qua phản ứng ether hóa, có đơn vị cấu trúc cơ bản là glucose khử nước, tùy theo loại và số lượng nhóm thế trên vị trí thay thế của nó và có các tính chất khác nhau. Ether không ion như MC và HPMC có thể được sử dụng làm chất nhớt, chất giữ nước, chất cuốn khí và các sản phẩm vật liệu xây dựng khác được sử dụng rộng rãi.

(2) CE có khả năng hòa tan độc đáo, tạo thành dung dịch ở nhiệt độ nhất định (chẳng hạn như nhiệt độ gel) và tạo thành hỗn hợp gel rắn hoặc hạt rắn ở nhiệt độ gel. Các phương pháp hòa tan chính là phương pháp phân tán trộn khô, phương pháp phân tán bằng nước nóng, v.v., trong các sản phẩm xi măng thường được sử dụng là phương pháp phân tán trộn khô. Điều quan trọng là phải phân tán đều CE trước khi nó hòa tan, tạo thành dung dịch ở nhiệt độ thấp.

(3) Nồng độ dung dịch, nhiệt độ, giá trị pH, tính chất hóa học của chất phụ gia và tốc độ khuấy trộn sẽ ảnh hưởng đến nhiệt độ gel và độ nhớt của dung dịch CE, đặc biệt sản phẩm xi măng là dung dịch muối vô cơ trong môi trường kiềm, thường làm giảm nhiệt độ gel và độ nhớt của dung dịch CE , mang lại những tác động xấu. Do đó, theo đặc tính của CE, thứ nhất, nên sử dụng ở nhiệt độ thấp (dưới nhiệt độ gel), thứ hai, cần tính đến ảnh hưởng của chất phụ gia.