Phát triển ete cellulose HEMC mới để giảm sự kết tụ trong thạch cao phun bằng máy làm từ thạch cao

Phát triển ete cellulose HEMC mới để giảm sự kết tụ trong thạch cao phun bằng máy làm từ thạch cao

Thạch cao phun bằng máy (GSP) gốc thạch cao đã được sử dụng rộng rãi ở Tây Âu từ những năm 1970. Sự xuất hiện của phun cơ học đã nâng cao hiệu quả thi công trát tường đồng thời giảm chi phí xây dựng. Với sự phát triển sâu rộng của thương mại hóa GSP, ete cellulose hòa tan trong nước đã trở thành chất phụ gia quan trọng. Cellulose ether mang lại cho GSP khả năng giữ nước tốt, hạn chế sự hấp thụ độ ẩm của chất nền trong thạch cao, nhờ đó có được thời gian đông kết ổn định và tính chất cơ học tốt. Ngoài ra, đường cong lưu biến cụ thể của ete xenlulo có thể cải thiện hiệu quả của việc phun máy và đơn giản hóa đáng kể quá trình san lấp và hoàn thiện vữa tiếp theo.

Mặc dù có những ưu điểm rõ ràng của ete xenlulo trong các ứng dụng GSP, nhưng nó cũng có thể góp phần hình thành các cục khô khi phun. Những khối không bị ướt này còn được gọi là vón cục hoặc đóng bánh và chúng có thể ảnh hưởng xấu đến quá trình san phẳng và hoàn thiện vữa. Sự kết tụ có thể làm giảm hiệu quả của địa điểm và tăng chi phí cho các ứng dụng sản phẩm thạch cao hiệu suất cao. Để hiểu rõ hơn về tác động của ete cellulose lên sự hình thành các khối trong GSP, chúng tôi đã tiến hành một nghiên cứu để cố gắng xác định các thông số sản phẩm có liên quan ảnh hưởng đến sự hình thành của chúng. Dựa trên kết quả của nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển một loạt sản phẩm ete cellulose có xu hướng giảm kết tụ và đánh giá chúng trong các ứng dụng thực tế.

Từ khóa: ete xenlulo; máy phun thạch cao trát; tốc độ hòa tan; hình thái hạt

1. Giới thiệu

Ete cellulose hòa tan trong nước đã được sử dụng thành công trong thạch cao phun bằng máy (GSP) gốc thạch cao để điều chỉnh nhu cầu nước, cải thiện khả năng giữ nước và cải thiện tính chất lưu biến của vữa. Vì vậy, nó giúp nâng cao tính năng của vữa ướt, từ đó đảm bảo cường độ yêu cầu của vữa. Do đặc tính thân thiện với môi trường và khả thi về mặt thương mại, hỗn hợp khô GSP đã trở thành vật liệu xây dựng nội thất được sử dụng rộng rãi trên khắp châu Âu trong 20 năm qua.

Máy trộn và phun GSP hỗn hợp khô đã được thương mại hóa thành công trong nhiều thập kỷ. Mặc dù một số tính năng kỹ thuật của thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau khác nhau, nhưng tất cả các máy phun thương mại hiện có đều cho phép thời gian khuấy trộn rất hạn chế để nước trộn với vữa trộn khô thạch cao chứa ete xenlulo. Nói chung, toàn bộ quá trình trộn chỉ mất vài giây. Sau khi trộn, vữa ướt được bơm qua ống phân phối và phun lên tường nền. Toàn bộ quá trình được hoàn thành trong vòng một phút. Tuy nhiên, trong một khoảng thời gian ngắn như vậy, ete xenlulo cần được hòa tan hoàn toàn để phát huy đầy đủ các đặc tính của chúng trong ứng dụng. Việc thêm các sản phẩm ete cellulose được nghiền mịn vào công thức vữa thạch cao đảm bảo hòa tan hoàn toàn trong quá trình phun này.

Ether cellulose được nghiền mịn nhanh chóng tạo thành độ đặc khi tiếp xúc với nước trong quá trình khuấy trộn trong máy phun. Sự tăng độ nhớt nhanh chóng do sự hòa tan của ete xenlulo gây ra các vấn đề về hiện tượng làm ướt nước đồng thời của các hạt vật liệu kết dính thạch cao. Khi nước bắt đầu đặc lại, nó trở nên ít lỏng hơn và không thể thấm vào các lỗ nhỏ giữa các hạt thạch cao. Sau khi đường tiếp cận các lỗ rỗng bị chặn, quá trình làm ướt các hạt vật liệu xi măng bằng nước sẽ bị trì hoãn. Thời gian trộn trong máy phun ngắn hơn thời gian cần thiết để làm ướt hoàn toàn các hạt thạch cao dẫn đến hình thành các cục bột khô trong vữa ướt mới. Các khối này một khi hình thành sẽ cản trở hiệu quả của công nhân trong các công đoạn tiếp theo: việc san phẳng vữa bằng các khối rất rắc rối và mất nhiều thời gian hơn. Ngay cả sau khi vữa đã đông kết, các khối hình thành ban đầu vẫn có thể xuất hiện. Ví dụ, việc che phủ các khối bên trong trong quá trình thi công sẽ dẫn đến sự xuất hiện các vùng tối ở giai đoạn sau mà chúng ta không muốn thấy.

Mặc dù ete xenlulo đã được sử dụng làm chất phụ gia trong GSP trong nhiều năm nhưng tác dụng của chúng đối với sự hình thành các khối không bị ướt cho đến nay vẫn chưa được nghiên cứu nhiều. Bài viết này trình bày một cách tiếp cận có hệ thống có thể được sử dụng để hiểu nguyên nhân sâu xa của sự kết tụ từ góc độ ete xenlulo.

2. Nguyên nhân hình thành các khối không thấm nước trong GSP

2.1 Làm ướt tấm thạch cao

Trong giai đoạn đầu của việc thiết lập chương trình nghiên cứu, một số nguyên nhân gốc rễ có thể dẫn đến sự hình thành các cụm trong CSP đã được tập hợp. Tiếp theo, thông qua phân tích có sự hỗ trợ của máy tính, vấn đề được tập trung vào việc liệu có giải pháp kỹ thuật thực tế hay không. Thông qua các công trình này, giải pháp tối ưu cho việc hình thành các chất kết tụ trong GSP đã được sàng lọc sơ bộ. Từ những cân nhắc cả về mặt kỹ thuật và thương mại, con đường kỹ thuật thay đổi độ ướt của các hạt thạch cao bằng cách xử lý bề mặt đã bị loại trừ. Từ quan điểm thương mại, ý tưởng thay thế thiết bị hiện có bằng thiết bị phun có buồng trộn được thiết kế đặc biệt có thể đảm bảo trộn đủ nước và vữa đã bị loại trừ.

Một lựa chọn khác là sử dụng chất làm ướt làm chất phụ gia trong công thức thạch cao và chúng tôi đã tìm thấy bằng sáng chế cho giải pháp này. Tuy nhiên, việc bổ sung chất phụ gia này chắc chắn sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng thi công của thạch cao. Quan trọng hơn là nó làm thay đổi tính chất vật lý của vữa, đặc biệt là độ cứng và cường độ. Vì vậy, chúng tôi đã không đi sâu vào nó. Ngoài ra, việc bổ sung thêm chất làm ướt cũng được cho là có thể gây tác động xấu đến môi trường.

Xét rằng ete xenlulo đã là một phần của công thức thạch cao làm từ thạch cao, việc tối ưu hóa ete xenlulo trở thành giải pháp tốt nhất có thể được lựa chọn. Đồng thời không được ảnh hưởng đến tính chất giữ nước hoặc ảnh hưởng xấu đến tính chất lưu biến của thạch cao đang sử dụng. Dựa trên giả thuyết được đề xuất trước đó rằng việc tạo ra bột không ướt trong GSP là do độ nhớt của ete xenlulo tăng quá nhanh sau khi tiếp xúc với nước trong quá trình khuấy, việc kiểm soát đặc tính hòa tan của ete xenlulo trở thành mục tiêu chính của nghiên cứu của chúng tôi. .

2.2 Thời gian hòa tan của ete xenlulo

Một cách dễ dàng để làm chậm tốc độ hòa tan của ete xenlulo là sử dụng các sản phẩm dạng hạt. Nhược điểm chính của việc sử dụng phương pháp này trong GSP là các hạt quá thô không hòa tan hoàn toàn trong khoảng thời gian khuấy trộn ngắn 10 giây trong máy phun, dẫn đến mất khả năng giữ nước. Ngoài ra, sự trương nở của ete xenlulo không hòa tan ở giai đoạn sau sẽ dẫn đến sự dày lên sau khi trát và ảnh hưởng đến hiệu quả thi công, đó là điều chúng ta không mong muốn thấy.

Một lựa chọn khác để giảm tốc độ hòa tan của ete xenlulo là liên kết ngang thuận nghịch bề mặt của ete xenlulo với glyoxal. Tuy nhiên, do phản ứng liên kết ngang được kiểm soát độ pH nên tốc độ hòa tan của ete xenlulo phụ thuộc nhiều vào độ pH của dung dịch nước xung quanh. Giá trị pH của hệ thống GSP trộn với vôi tôi rất cao và các liên kết ngang của glyoxal trên bề mặt nhanh chóng được mở ra sau khi tiếp xúc với nước và độ nhớt bắt đầu tăng ngay lập tức. Do đó, các phương pháp xử lý hóa học như vậy không thể đóng vai trò kiểm soát tốc độ hòa tan trong GSP.

Thời gian hòa tan của ete xenlulo cũng phụ thuộc vào hình thái hạt của chúng. Tuy nhiên, thực tế này cho đến nay vẫn chưa nhận được nhiều sự quan tâm dù hiệu quả mang lại rất đáng kể. Chúng có tốc độ hòa tan tuyến tính không đổi [kg/(m2•s)], do đó độ hòa tan và độ nhớt tích tụ của chúng tỷ lệ thuận với bề mặt sẵn có. Tỷ lệ này có thể thay đổi đáng kể khi có sự thay đổi về hình thái của các hạt xenlulo. Trong tính toán của chúng tôi, giả định rằng độ nhớt tối đa (100%) đạt được sau 5 giây khuấy trộn.

Tính toán các hình thái hạt khác nhau cho thấy các hạt hình cầu có độ nhớt bằng 35% độ nhớt cuối cùng trong một nửa thời gian trộn. Trong cùng khoảng thời gian, các hạt ether cellulose hình que chỉ có thể đạt tới 10%. Các hạt hình đĩa chỉ bắt đầu hòa tan sau2,5 giây.

Cũng bao gồm các đặc tính hòa tan lý tưởng cho ete xenlulo trong GSP. Trì hoãn quá trình tích tụ độ nhớt ban đầu trong hơn 4,5 giây. Sau đó, độ nhớt tăng nhanh để đạt độ nhớt cuối cùng trong vòng 5 giây kể từ thời gian khuấy trộn. Trong GSP, thời gian hòa tan chậm như vậy cho phép hệ thống có độ nhớt thấp và nước được thêm vào có thể làm ướt hoàn toàn các hạt thạch cao và đi vào các lỗ giữa các hạt mà không bị xáo trộn.

3. Hình thái hạt của ete xenlulo

3.1 Đo hình thái hạt

Do hình dạng của các hạt ete xenlulo có tác động đáng kể đến độ hòa tan nên trước tiên cần xác định các thông số mô tả hình dạng của các hạt ete xenlulo, sau đó xác định sự khác biệt giữa không làm ướt. Sự hình thành chất kết tụ là một thông số đặc biệt có liên quan .

Chúng tôi đã thu được hình thái hạt của ete cellulose bằng kỹ thuật phân tích hình ảnh động. Hình thái hạt của ete xenlulo có thể được mô tả đầy đủ bằng máy phân tích hình ảnh kỹ thuật số SYMPATEC (sản xuất tại Đức) và các công cụ phân tích phần mềm cụ thể. Các thông số hình dạng hạt quan trọng nhất được tìm thấy là chiều dài trung bình của sợi được biểu thị bằng LEFI(50,3) và đường kính trung bình được biểu thị bằng DIFI(50,3). Dữ liệu chiều dài trung bình của sợi được coi là chiều dài đầy đủ của một hạt ete cellulose trải rộng nhất định.

Thông thường, dữ liệu phân bố kích thước hạt như đường kính sợi trung bình DIFI có thể được tính dựa trên số lượng hạt (ký hiệu là 0), chiều dài (ký hiệu là 1), diện tích (ký hiệu là 2) hoặc thể tích (ký hiệu là 3). Tất cả các phép đo dữ liệu hạt trong bài viết này đều dựa trên khối lượng và do đó được biểu thị bằng hậu tố 3. Ví dụ: trong DIFI(50,3), 3 có nghĩa là phân bố thể tích và 50 có nghĩa là 50% đường cong phân bố kích thước hạt nhỏ hơn giá trị được chỉ định và 50% còn lại lớn hơn giá trị được chỉ định. Dữ liệu hình dạng hạt ete cellulose được tính bằng micromet (µm).

3.2 Cellulose ether sau khi tối ưu hóa hình thái hạt

Có tính đến ảnh hưởng của bề mặt hạt, thời gian hòa tan hạt của các hạt cellulose ether có dạng hạt hình que phụ thuộc rất nhiều vào đường kính sợi trung bình DIFI (50,3). Dựa trên giả định này, công việc phát triển ete cellulose nhằm mục đích thu được các sản phẩm có đường kính sợi trung bình lớn hơn DIFI (50,3) để cải thiện khả năng hòa tan của bột.

Tuy nhiên, việc tăng chiều dài sợi trung bình DIFI(50,3) dự kiến ​​sẽ không đi kèm với việc tăng kích thước hạt trung bình. Việc tăng cả hai thông số lại với nhau sẽ dẫn đến các hạt quá lớn để hòa tan hoàn toàn trong thời gian khuấy trộn cơ học 10 giây thông thường.

Do đó, hydroxyethylmethylcellulose (HEMC) lý tưởng phải có đường kính sợi trung bình lớn hơn DIFI(50,3) trong khi vẫn duy trì chiều dài sợi trung bình LEFI(50,3). Chúng tôi sử dụng quy trình sản xuất ete cellulose mới để tạo ra HEMC cải tiến. Hình dạng hạt của ete xenlulo hòa tan trong nước thu được qua quá trình sản xuất này hoàn toàn khác với hình dạng hạt của xenlulo được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất. Nói cách khác, quy trình sản xuất cho phép thiết kế hình dạng hạt của ete xenlulo không phụ thuộc vào nguyên liệu thô sản xuất.

Ba hình ảnh kính hiển vi điện tử quét: một ảnh ete xenlulo được sản xuất theo quy trình tiêu chuẩn và một ảnh ete xenlulo được tạo ra theo quy trình mới có đường kính DIFI(50,3) lớn hơn các sản phẩm dụng cụ gia công thông thường. Hình thái của xenlulô nghiền mịn được sử dụng để sản xuất hai sản phẩm này cũng được thể hiện.

So sánh ảnh chụp vi điện tử của cellulose và ether cellulose được tạo ra theo quy trình tiêu chuẩn, dễ dàng nhận thấy cả hai đều có đặc điểm hình thái tương tự nhau. Số lượng lớn các hạt trong cả hai hình ảnh thể hiện cấu trúc mỏng và dài điển hình, cho thấy các đặc điểm hình thái cơ bản không thay đổi ngay cả sau khi phản ứng hóa học diễn ra. Rõ ràng là đặc điểm hình thái hạt của sản phẩm phản ứng có mối tương quan cao với nguyên liệu thô.

Người ta nhận thấy rằng các đặc điểm hình thái của ete cellulose được tạo ra bởi quy trình mới khác biệt đáng kể, nó có đường kính trung bình lớn hơn DIFI (50,3) và chủ yếu có dạng hạt tròn ngắn và dày, trong khi các hạt mỏng và dài điển hình trong nguyên liệu cellulose Hầu như đã tuyệt chủng.

Hình này một lần nữa cho thấy hình thái hạt của ete cellulose được tạo ra theo quy trình mới không còn liên quan đến hình thái của nguyên liệu cellulose thô – mối liên hệ giữa hình thái của nguyên liệu thô và sản phẩm cuối cùng không còn tồn tại.

4. Ảnh hưởng của hình thái hạt HEMC đến sự hình thành các khối không bị ướt trong GSP

GSP đã được thử nghiệm trong các điều kiện ứng dụng tại hiện trường để xác minh rằng giả thuyết của chúng tôi về cơ chế hoạt động (rằng việc sử dụng sản phẩm ete cellulose có đường kính trung bình lớn hơn DIFI (50,3) sẽ làm giảm sự kết tụ không mong muốn) là đúng. HEMC có đường kính trung bình DIFI(50,3) nằm trong khoảng từ 37 µm đến 52 µm đã được sử dụng trong các thí nghiệm này. Để giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố khác ngoài hình thái hạt, lớp nền thạch cao và tất cả các chất phụ gia khác được giữ nguyên không thay đổi. Độ nhớt của ete xenlulo được giữ không đổi trong quá trình thử nghiệm (60.000mPa.s, dung dịch nước 2%, được đo bằng máy đo lưu biến HAAKE).

Một máy phun thạch cao có bán trên thị trường (PFT G4) đã được sử dụng để phun trong các thử nghiệm ứng dụng. Tập trung đánh giá sự hình thành các khối vữa thạch cao không ướt ngay sau khi trát lên tường. Việc đánh giá độ vón cục ở giai đoạn này trong suốt quá trình thi công trát sẽ phát hiện rõ nhất sự khác biệt về đặc tính của sản phẩm. Trong thử nghiệm, những công nhân có kinh nghiệm đã đánh giá tình trạng vón cục, với 1 là tốt nhất và 6 là tệ nhất.

Kết quả thử nghiệm cho thấy rõ mối tương quan giữa đường kính sợi trung bình DIFI (50,3) và điểm hiệu suất vón cục. Phù hợp với giả thuyết của chúng tôi rằng các sản phẩm ete cellulose có DIFI(50,3) lớn hơn hoạt động tốt hơn các sản phẩm DIFI(50,3) nhỏ hơn, điểm trung bình cho DIFI(50,3) là 52 µm là 2 (tốt), trong khi những sản phẩm có DIFI( 50,3) của 37µm và 40µm đạt 5 điểm (không đạt).

Như chúng tôi mong đợi, đặc tính vón cục trong các ứng dụng GSP phụ thuộc đáng kể vào đường kính trung bình DIFI(50,3) của ete cellulose được sử dụng. Hơn nữa, trong phần thảo luận trước đã đề cập rằng trong số tất cả các thông số hình thái DIFI(50,3) ảnh hưởng mạnh mẽ đến thời gian hòa tan của bột ete xenlulo. Điều này khẳng định rằng thời gian hòa tan ete cellulose, có mối tương quan cao với hình thái hạt, cuối cùng ảnh hưởng đến sự hình thành các khối trong GSP. DIFI lớn hơn (50,3) khiến thời gian hòa tan của bột lâu hơn, làm giảm đáng kể nguy cơ kết tụ. Tuy nhiên, thời gian hòa tan bột quá dài sẽ khiến ete xenlulo khó hòa tan hoàn toàn trong thời gian khuấy của thiết bị phun.

Sản phẩm HEMC mới có đặc tính hòa tan được tối ưu hóa do đường kính sợi trung bình lớn hơn DIFI(50,3) không chỉ có khả năng làm ướt bột thạch cao tốt hơn (như đã thấy trong đánh giá độ vón cục) mà còn không ảnh hưởng đến hiệu suất giữ nước của sản phẩm. Độ giữ nước đo theo EN 459-2 không thể phân biệt được với các sản phẩm HEMC có cùng độ nhớt với DIFI(50,3) từ 37µm đến 52µm. Tất cả các phép đo sau 5 phút và 60 phút đều nằm trong phạm vi yêu cầu hiển thị trên biểu đồ.

Tuy nhiên, người ta cũng khẳng định rằng nếu DIFI(50,3) trở nên quá lớn thì các hạt ete cellulose sẽ không còn hòa tan hoàn toàn nữa. Điều này được phát hiện khi thử nghiệm sản phẩm DIFI(50,3) 59 µM. Kết quả thử nghiệm khả năng giữ nước của nó sau 5 phút và đặc biệt sau 60 phút không đạt yêu cầu tối thiểu.

5. Tóm tắt

Ete cellulose là chất phụ gia quan trọng trong công thức GSP. Công việc nghiên cứu và phát triển sản phẩm ở đây xem xét mối tương quan giữa hình thái hạt của ete cellulose và sự hình thành các khối không bị ướt (gọi là vón cục) khi phun cơ học. Dựa trên giả định về cơ chế hoạt động, thời gian hòa tan của bột ete cellulose ảnh hưởng đến việc làm ướt bột thạch cao bằng nước và do đó ảnh hưởng đến sự hình thành các khối.

Thời gian hòa tan phụ thuộc vào hình thái hạt của ete xenlulo và có thể thu được bằng các công cụ phân tích hình ảnh kỹ thuật số. Trong GSP, ete cellulose có đường kính trung bình lớn DIFI (50,3) có đặc tính hòa tan bột được tối ưu hóa, cho phép nước có nhiều thời gian hơn để làm ướt hoàn toàn các hạt thạch cao, từ đó cho phép chống kết tụ tối ưu. Loại ete cellulose này được sản xuất bằng quy trình sản xuất mới và dạng hạt của nó không phụ thuộc vào dạng ban đầu của nguyên liệu thô để sản xuất.

Đường kính sợi trung bình DIFI (50,3) có tác dụng rất quan trọng trong việc vón cục, điều này đã được kiểm chứng bằng cách thêm sản phẩm này vào đế thạch cao phun bằng máy có bán trên thị trường để phun tại chỗ. Hơn nữa, các thử nghiệm phun hiện trường này đã xác nhận kết quả trong phòng thí nghiệm của chúng tôi: các sản phẩm ete cellulose hoạt động tốt nhất có DIFI lớn (50,3) hoàn toàn hòa tan trong khoảng thời gian khuấy trộn GSP. Vì vậy, sản phẩm ete cellulose có đặc tính chống đóng bánh tốt nhất sau khi cải thiện hình dạng hạt vẫn duy trì được hiệu quả giữ nước ban đầu.