Ether cellulose không ion trong xi măng polymer

Là chất phụ gia không thể thiếu trong xi măng polyme, ete xenlulo không ion đã nhận được sự quan tâm và nghiên cứu rộng rãi. Dựa trên các tài liệu liên quan trong và ngoài nước, luật và cơ chế của vữa xi măng biến tính ete xenlulo không ion đã được thảo luận từ các khía cạnh về chủng loại và lựa chọn ete xenlulo không ion, ảnh hưởng của nó đến tính chất vật lý của xi măng polyme, ảnh hưởng của nó đến hình thái vi mô và tính chất cơ học cũng như những thiếu sót của nghiên cứu hiện tại đã được đưa ra. Công việc này sẽ thúc đẩy ứng dụng ete xenlulo trong xi măng polyme.

Từ khóa: ete cellulose không ion, xi măng polyme, tính chất vật lý, tính chất cơ lý, cấu trúc vi mô

1. Tổng quan

Với nhu cầu ngày càng tăng và yêu cầu về hiệu suất của xi măng polymer trong ngành xây dựng, việc bổ sung phụ gia để biến đổi nó đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu, trong đó, ete xenlulo đã được sử dụng rộng rãi vì tác dụng của nó đối với việc giữ nước, làm đặc, làm chậm, không khí của vữa xi măng. và vân vân. Trong bài báo này, các loại ete xenlulo, ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của xi măng polyme và hình thái vi mô của xi măng polyme được mô tả, cung cấp tài liệu tham khảo lý thuyết cho việc ứng dụng ete xenlulo trong xi măng polyme.

2. Các loại ete cellulose không ion

Cellulose ether là một loại hợp chất polymer có cấu trúc ether được làm từ cellulose. Có nhiều loại ete xenlulo, có ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu gốc xi măng và rất khó lựa chọn. Theo cấu trúc hóa học của các nhóm thế, chúng có thể được chia thành ete anion, cation và không ion. Ete cellulose không ion với nhóm thế chuỗi bên H, cH3, c2H5, (cH2cH20)nH, [cH2cH(cH3)0]nH và các nhóm không phân ly khác được sử dụng rộng rãi nhất trong xi măng, đại diện điển hình là methyl cellulose ether, hydroxypropyl methyl ete cellulose, hydroxyethyl methyl cellulose ether, hydroxyethyl cellulose ether, v.v. Các loại ete xenlulo khác nhau có tác dụng khác nhau đến thời gian đông kết của xi măng. Theo các báo cáo tài liệu trước đây, HEC có khả năng làm chậm xi măng mạnh nhất, tiếp theo là HPMc và HEMc, và Mc có khả năng kém nhất. Đối với cùng một loại ete cellulose, trọng lượng phân tử hoặc độ nhớt, hàm lượng methyl, hydroxyethyl, hydroxypropyl của các nhóm này là khác nhau, tác dụng làm chậm của nó cũng khác nhau. Nói chung, độ nhớt càng lớn và hàm lượng các nhóm không phân ly càng cao thì khả năng trì hoãn càng kém. Do đó, trong quá trình sản xuất thực tế, theo yêu cầu đông tụ vữa thương mại, có thể lựa chọn hàm lượng nhóm chức thích hợp của ete cellulose. Hoặc trong quá trình sản xuất ete cellulose đồng thời điều chỉnh hàm lượng các nhóm chức, làm cho đáp ứng được yêu cầu của các loại vữa khác nhau.

3、ảnh hưởng của ete cellulose không ion đến tính chất vật lý của xi măng polyme

3.1 Đông máu chậm

Để kéo dài thời gian đông cứng hydrat hóa của xi măng, để vữa mới trộn trong một thời gian dài vẫn dẻo, để điều chỉnh thời gian đông kết của vữa mới trộn, cải thiện khả năng hoạt động của nó, thường thêm chất làm chậm vào vữa, không ete cellulose ion thích hợp cho xi măng polymer là chất làm chậm phổ biến.

Tác dụng làm chậm của ete cellulose không ion đối với xi măng chủ yếu bị ảnh hưởng bởi loại, độ nhớt, liều lượng, thành phần khác nhau của khoáng chất xi măng và các yếu tố khác. Pourchez J và cộng sự. cho thấy mức độ methyl hóa ete cellulose càng cao thì tác dụng làm chậm quá trình hydrat hóa càng kém, trong khi trọng lượng phân tử của hàm lượng cellulose ether và hydroxypropoxy có tác dụng yếu trong việc làm chậm quá trình hydrat hóa xi măng. Với sự gia tăng độ nhớt và lượng pha tạp của ete cellulose không ion, lớp hấp phụ trên bề mặt của các hạt xi măng dày lên, thời gian đông kết ban đầu và cuối cùng của xi măng được kéo dài, và hiệu quả làm chậm rõ ràng hơn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự tỏa nhiệt sớm của vữa xi măng có hàm lượng HEMC khác nhau thấp hơn khoảng 15% so với vữa xi măng nguyên chất, nhưng không có sự khác biệt đáng kể trong quá trình hydrat hóa sau này. Singh NK và cộng sự. cho thấy khi tăng lượng pha tạp HEc, quá trình giải phóng nhiệt hydrat hóa của vữa xi măng biến tính có xu hướng ban đầu tăng rồi giảm dần và hàm lượng HEC khi đạt mức giải phóng nhiệt hydrat hóa tối đa có liên quan đến tuổi đóng rắn.

Ngoài ra, người ta thấy rằng tác dụng làm chậm của ete cellulose không ion có liên quan chặt chẽ đến thành phần của xi măng. Peschard và cộng sự. nhận thấy rằng hàm lượng tricalcium aluminate (C3A) trong xi măng càng thấp thì tác dụng làm chậm của ete cellulose càng rõ ràng. schmitz L và cộng sự. tin rằng điều này là do các cách khác nhau của ete xenlulo đối với động học hydrat hóa của tricanxi silicat (C3S) và tricanxi aluminat (C3A). Xenlulo ete có thể làm giảm tốc độ phản ứng trong giai đoạn tăng tốc của C3S, trong khi đối với C3A, nó có thể kéo dài thời gian cảm ứng và cuối cùng làm chậm quá trình đông đặc và đông cứng của vữa.

Có nhiều ý kiến ​​khác nhau về cơ chế của ete cellulose không ion làm trì hoãn quá trình hydrat hóa xi măng. Silva và cộng sự. Liu tin rằng việc đưa ete cellulose vào sẽ làm cho độ nhớt của dung dịch lỗ rỗng tăng lên, do đó ngăn chặn sự chuyển động của các ion và làm chậm quá trình ngưng tụ. Tuy nhiên, Pourchez và cộng sự. tin rằng có mối quan hệ rõ ràng giữa độ trễ của ete xenlulo với quá trình thủy hóa xi măng và độ nhớt của vữa xi măng. Một giả thuyết khác cho rằng tác dụng làm chậm của ete xenlulo có liên quan chặt chẽ đến sự phân hủy kiềm. Polysacarit có xu hướng dễ bị phân hủy để tạo ra axit cacboxylic hydroxyl có thể làm chậm quá trình hydrat hóa xi măng trong điều kiện kiềm. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng ete xenlulo rất ổn định trong điều kiện kiềm và chỉ phân hủy nhẹ và sự phân hủy ít ảnh hưởng đến độ trễ của quá trình hydrat hóa xi măng. Hiện nay, quan điểm nhất quán hơn là hiệu ứng làm chậm chủ yếu là do sự hấp phụ gây ra. Cụ thể, nhóm hydroxyl trên bề mặt phân tử của ete xenlulo có tính axit, ca(0H) trong hệ xi măng hydrat hóa và các pha khoáng khác có tính kiềm. Dưới tác dụng hiệp đồng của liên kết hydro, tạo phức và kỵ nước, các phân tử ete cellulose có tính axit sẽ được hấp phụ trên bề mặt các hạt xi măng kiềm và các sản phẩm hydrat hóa. Ngoài ra, một màng mỏng được hình thành trên bề mặt của nó, cản trở sự phát triển hơn nữa của các hạt nhân tinh thể pha khoáng này và làm chậm quá trình hydrat hóa và đông kết của xi măng. Khả năng hấp phụ giữa các sản phẩm thủy hóa xi măng và ete xenlulo càng mạnh thì độ trễ thủy hóa của xi măng càng rõ ràng. Một mặt, kích thước của lực cản không gian đóng vai trò quyết định đối với khả năng hấp phụ, chẳng hạn như lực cản không gian nhỏ của nhóm hydroxyl, tính axit mạnh và khả năng hấp phụ cũng mạnh. Mặt khác, khả năng hấp phụ còn phụ thuộc vào thành phần sản phẩm thủy hóa của xi măng. Pourchez và cộng sự. nhận thấy rằng ete xenlulo dễ dàng được hấp phụ lên bề mặt của các sản phẩm hydrat hóa như ca(0H)2, csH gel và canxi aluminate hydrat, nhưng không dễ bị hấp phụ bởi pha ettringite và pha không ngậm nước. Nghiên cứu của Mullert cũng cho thấy ete xenlulo có khả năng hấp phụ mạnh trên c3 và các sản phẩm hydrat hóa của nó nên quá trình hydrat hóa pha silicat bị trì hoãn đáng kể. Khả năng hấp phụ của ettringite thấp nhưng sự hình thành ettringite bị trì hoãn đáng kể. Điều này là do sự chậm trễ trong việc hình thành ettringite bị ảnh hưởng bởi sự cân bằng ca2+ trong dung dịch, đó là sự tiếp tục của sự chậm trễ của ete cellulose trong quá trình hydrat hóa silicat.

3.2 Bảo tồn nước

Một tác dụng biến đổi quan trọng khác của ete xenlulo trong vữa xi măng là xuất hiện như một chất giữ nước, có thể ngăn hơi ẩm trong vữa ướt bốc hơi sớm hoặc bị nền hấp thụ, đồng thời làm chậm quá trình hydrat hóa của xi măng đồng thời kéo dài thời gian vận hành của xi măng. vữa ướt, để đảm bảo vữa mỏng có thể chải kỹ, vữa trát có thể trải rộng, vữa dễ thấm không cần làm ướt trước.

Khả năng giữ nước của ete xenlulo có liên quan chặt chẽ đến độ nhớt, liều lượng, loại và nhiệt độ môi trường. Các điều kiện khác đều giống nhau, độ nhớt của ete xenlulo càng lớn thì hiệu quả giữ nước càng tốt, một lượng nhỏ ête xenlulo có thể làm cho tỷ lệ giữ nước của vữa được cải thiện rất nhiều; Đối với cùng một ete cellulose, lượng thêm vào càng cao thì tỷ lệ giữ nước của vữa biến tính càng cao nhưng có giá trị tối ưu, vượt quá tỷ lệ giữ nước tăng chậm. Đối với các loại ete cellulose khác nhau, khả năng giữ nước cũng có sự khác biệt, chẳng hạn như HPMc trong cùng điều kiện giữ nước tốt hơn Mc. Ngoài ra, hiệu suất giữ nước của ete xenlulo giảm khi nhiệt độ môi trường tăng.

Người ta thường tin rằng sở dĩ ete cellulose có chức năng giữ nước chủ yếu là do 0H trên phân tử và nguyên tử 0 trên liên kết ether sẽ liên kết với các phân tử nước để tổng hợp liên kết hydro, do đó nước tự do trở thành liên kết. nước, để đóng vai trò giữ nước tốt; Người ta cũng tin rằng chuỗi đại phân tử cellulose ether đóng vai trò hạn chế trong sự khuếch tán của các phân tử nước, để kiểm soát hiệu quả sự bay hơi nước, để đạt được khả năng giữ nước cao; Pourchez J lập luận rằng ete xenlulo đạt được hiệu quả giữ nước bằng cách cải thiện tính chất lưu biến của vữa xi măng mới trộn, cấu trúc của mạng xốp và sự hình thành màng ete xenlulo cản trở sự khuếch tán của nước. Laetitia P và cộng sự. cũng tin rằng đặc tính lưu biến của vữa là yếu tố then chốt, nhưng cũng tin rằng độ nhớt không phải là yếu tố duy nhất quyết định hiệu suất giữ nước tuyệt vời của vữa. Điều đáng chú ý là mặc dù ete xenlulo có khả năng giữ nước tốt nhưng khả năng hấp thụ nước của vữa xi măng cứng đã biến tính sẽ giảm, nguyên nhân là do ête xenlulo trong màng vữa và trong vữa có nhiều lỗ chân lông nhỏ khép kín, gây tắc nghẽn. vữa bên trong mao mạch.

3.3 Làm dày

Độ đặc của vữa là một trong những chỉ số quan trọng để đo lường hiệu quả làm việc của nó. Cellulose ether thường được giới thiệu để tăng tính nhất quán. “Tính nhất quán” thể hiện khả năng của vữa mới trộn có thể chảy và biến dạng dưới tác dụng của trọng lực hoặc ngoại lực. Hai đặc tính làm đặc và giữ nước bổ sung cho nhau. Việc bổ sung một lượng ete xenluloza thích hợp không chỉ có thể cải thiện khả năng giữ nước của vữa, đảm bảo thi công trơn tru mà còn tăng độ đặc của vữa, tăng đáng kể khả năng chống phân tán của xi măng, cải thiện hiệu suất liên kết giữa vữa và ma trận, và giảm hiện tượng võng của vữa.

Tác dụng làm đặc của ete xenlulo chủ yếu đến từ độ nhớt của chính nó, độ nhớt càng lớn thì hiệu quả làm đặc càng tốt, tuy nhiên nếu độ nhớt quá lớn sẽ làm giảm tính lưu động của vữa, ảnh hưởng đến công trình. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi độ nhớt, chẳng hạn như trọng lượng phân tử (hoặc mức độ trùng hợp) và nồng độ ete xenlulo, nhiệt độ dung dịch, tốc độ cắt, sẽ ảnh hưởng đến hiệu ứng làm đặc cuối cùng.

Cơ chế làm đặc của ete cellulose chủ yếu đến từ quá trình hydrat hóa và sự vướng víu giữa các phân tử. Một mặt, chuỗi polyme của ete cellulose dễ hình thành liên kết hydro với nước trong nước, liên kết hydro làm cho nó có độ hydrat hóa cao; Mặt khác, khi thêm ete xenlulo vào vữa sẽ hút nhiều nước nên thể tích riêng của nó tăng lên rất nhiều, làm giảm khoảng trống của các hạt, đồng thời các chuỗi phân tử ete xenluloza đan xen vào nhau. để tạo thành một cấu trúc mạng ba chiều, các hạt vữa được bao quanh trong đó, không chảy tự do. Nói cách khác, dưới hai tác động này, độ nhớt của hệ thống được cải thiện, do đó đạt được hiệu quả làm đặc mong muốn.

4. Ảnh hưởng của ete xenlulo không ion đến hình thái và cấu trúc lỗ xốp của xi măng polyme

Như có thể thấy ở trên, ete cellulose không ion đóng một vai trò quan trọng trong xi măng polyme và việc bổ sung nó chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô của toàn bộ vữa xi măng. Kết quả cho thấy ete cellulose không ion thường làm tăng độ xốp của vữa xi măng và số lượng lỗ rỗng có kích thước 3nm ~ 350um tăng lên, trong đó số lượng lỗ rỗng trong khoảng 100nm ~ 500nm tăng nhiều nhất. Ảnh hưởng đến cấu trúc lỗ rỗng của vữa xi măng có liên quan chặt chẽ đến loại và độ nhớt của ete cellulose không ion được thêm vào. Ou Zhihua và cộng sự. tin rằng khi độ nhớt bằng nhau thì độ xốp của vữa xi măng biến tính bởi HEC nhỏ hơn so với HPMc và Mc được thêm vào làm chất biến tính. Đối với cùng một ete cellulose, độ nhớt càng nhỏ thì độ xốp của vữa xi măng biến tính càng nhỏ. Bằng cách nghiên cứu ảnh hưởng của HPMc đến khe hở của tấm cách nhiệt xi măng xốp, Wang Yanru et al. nhận thấy rằng việc bổ sung HPMC không làm thay đổi đáng kể độ xốp nhưng có thể làm giảm đáng kể khẩu độ. Tuy nhiên, Zhang Guodian và cộng sự. nhận thấy hàm lượng HEMc càng lớn thì ảnh hưởng đến cấu trúc lỗ rỗng của vữa xi măng càng rõ ràng. Việc bổ sung HEMc có thể làm tăng đáng kể độ xốp, tổng thể tích lỗ rỗng và bán kính lỗ trung bình của vữa xi măng, nhưng diện tích bề mặt riêng của lỗ rỗng giảm và số lượng lỗ mao mạch lớn có đường kính lớn hơn 50nm tăng lên đáng kể và lỗ chân lông được đưa vào chủ yếu là lỗ chân lông kín.

Ảnh hưởng của ete cellulose không ion đến quá trình hình thành cấu trúc lỗ rỗng của vữa xi măng đã được phân tích. Người ta nhận thấy rằng việc bổ sung ete cellulose chủ yếu làm thay đổi tính chất của pha lỏng. Một mặt, sức căng bề mặt pha lỏng giảm, dễ hình thành bong bóng trong vữa xi măng, đồng thời sẽ làm chậm quá trình thoát nước và khuếch tán pha lỏng, khiến các bong bóng nhỏ khó tụ lại thành bong bóng lớn và phóng điện, do đó tạo ra khoảng trống được tăng lên rất nhiều; Mặt khác, độ nhớt của pha lỏng tăng lên cũng ức chế sự thoát nước, khuếch tán bong bóng và sáp nhập bong bóng, đồng thời tăng cường khả năng ổn định bong bóng. Do đó, có thể thu được chế độ ảnh hưởng của ete xenlulo đến sự phân bố kích thước lỗ rỗng của vữa xi măng: trong phạm vi kích thước lỗ rỗng trên 100nm, có thể tạo ra bong bóng bằng cách giảm sức căng bề mặt của pha lỏng và có thể ức chế sự khuếch tán bong bóng bằng cách tăng độ nhớt của chất lỏng; trong vùng 30nm ~ 60nm, số lượng lỗ chân lông trong vùng có thể bị ảnh hưởng bằng cách ức chế sự hợp nhất của các bong bóng nhỏ hơn.

5. Ảnh hưởng của ete xenlulo không ion đến tính chất cơ lý của xi măng polyme

Các tính chất cơ học của xi măng polymer có liên quan chặt chẽ đến hình thái của nó. Với việc bổ sung ete cellulose không ion, độ xốp sẽ tăng lên, điều này chắc chắn sẽ có ảnh hưởng xấu đến độ bền của nó, đặc biệt là cường độ nén và độ bền uốn. Độ giảm cường độ nén của vữa xi măng lớn hơn đáng kể so với cường độ uốn. Ou Zhihua và cộng sự. nghiên cứu ảnh hưởng của các loại ete cellulose không ion khác nhau đến tính chất cơ học của vữa xi măng và nhận thấy cường độ của vữa xi măng biến tính cellulose ether thấp hơn so với vữa xi măng nguyên chất và cường độ nén 28d thấp nhất chỉ 44,3% của vữa xi măng nguyên chất. Cường độ nén và cường độ uốn của ete cellulose HPMc, HEMC và MC biến tính là tương tự nhau, trong khi cường độ nén và cường độ uốn của vữa xi măng biến tính HEc ở mỗi độ tuổi cao hơn đáng kể. Điều này liên quan chặt chẽ đến độ nhớt hoặc trọng lượng phân tử của chúng, độ nhớt hoặc trọng lượng phân tử của ete xenlulo càng cao hoặc hoạt động bề mặt càng lớn thì cường độ của vữa xi măng biến tính càng thấp.

Tuy nhiên, người ta cũng chứng minh rằng ete cellulose không ion có thể tăng cường độ bền kéo, tính linh hoạt và độ kết dính của vữa xi măng. Hoàng Liên Căn và cộng sự. nhận thấy rằng, trái với quy luật thay đổi cường độ nén, cường độ cắt và cường độ kéo của vữa tăng khi hàm lượng ete xenluloza trong vữa xi măng tăng. Phân tích lý do, sau khi bổ sung ete xenlulo và nhũ tương polyme với nhau để tạo thành một số lượng lớn màng polyme dày đặc, cải thiện đáng kể tính linh hoạt của bùn và các sản phẩm hydrat hóa xi măng, xi măng không ngậm nước, chất độn và các vật liệu khác chứa trong màng này , để đảm bảo độ bền kéo của hệ thống lớp phủ.

Để cải thiện hiệu suất của xi măng polyme biến tính cellulose ether không ion, đồng thời cải thiện tính chất vật lý của vữa xi măng, không làm giảm đáng kể tính chất cơ học của nó, phương pháp thông thường là kết hợp cellulose ether và các phụ gia khác, được thêm vào vữa xi măng. Li Tao-wen và cộng sự. nhận thấy rằng phụ gia tổng hợp bao gồm ete xenlulo và bột keo polymer không chỉ cải thiện một chút cường độ uốn và cường độ nén của vữa, do đó độ kết dính và độ nhớt của vữa xi măng phù hợp hơn cho việc thi công lớp phủ mà còn cải thiện đáng kể khả năng giữ nước năng suất của vữa so với ete xenlulo đơn. Xu Qi và cộng sự. thêm bột xỉ, chất khử nước và HEMc, đồng thời nhận thấy chất khử nước và bột khoáng có thể làm tăng mật độ vữa, giảm số lượng lỗ, từ đó cải thiện cường độ và mô đun đàn hồi của vữa. HEMc có thể làm tăng cường độ liên kết kéo của vữa nhưng không tốt cho cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi của vữa. Yang Xiaojie và cộng sự. nhận thấy rằng hiện tượng nứt co ngót dẻo của vữa xi măng có thể giảm đáng kể sau khi trộn sợi HEMc và sợi PP.

6. Kết luận

Ether cellulose không ion đóng vai trò quan trọng trong xi măng polymer, có thể cải thiện đáng kể các tính chất vật lý (bao gồm làm chậm quá trình đông máu, giữ nước, làm đặc), hình thái vi mô và tính chất cơ học của vữa xi măng. Rất nhiều công việc đã được thực hiện nhằm biến đổi vật liệu gốc xi măng bằng ete xenlulo, nhưng vẫn còn một số vấn đề cần nghiên cứu thêm. Ví dụ, trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, người ta ít chú ý đến tính lưu biến, đặc tính biến dạng, độ ổn định thể tích và độ bền của vật liệu gốc xi măng biến tính và mối quan hệ tương ứng thường xuyên chưa được thiết lập khi thêm ete xenlulo. Nghiên cứu về cơ chế di chuyển của polyme cellulose ether và sản phẩm hydrat hóa xi măng trong phản ứng hydrat hóa vẫn còn chưa đầy đủ. Quá trình hoạt động và cơ chế của các chất phụ gia hỗn hợp bao gồm ete xenlulo và các chất phụ gia khác chưa đủ rõ ràng. Việc bổ sung hỗn hợp ete xenlulo và các vật liệu gia cố vô cơ như sợi thủy tinh vẫn chưa được hoàn thiện. Tất cả những điều này sẽ là trọng tâm của nghiên cứu trong tương lai nhằm cung cấp hướng dẫn lý thuyết nhằm cải thiện hơn nữa tính năng của xi măng polyme.