أداء إيثر السليلوز وتطبيقه في الملاط.

في الملاط الجاهز، تكون كمية إيثر السليلوز المضافة قليلة جدًا، لكنها تُحسّن بشكل ملحوظ أداء الملاط الرطب، وتُعدّ مادة مضافة رئيسية تؤثر على خصائصه الإنشائية. يُسهم الاختيار الأمثل لإيثرات السليلوز من أنواع مختلفة، ولزوجات وأحجام جسيمات ودرجات لزوجة وكميات مضافة متباينة، في تحسين أداء الملاط الجاف. في الوقت الحالي، يُعاني العديد من أنواع ملاط ​​البناء والتجصيص من ضعف في الاحتفاظ بالماء، حيث ينفصل الملاط المائي بعد دقائق قليلة من تركه. يُعدّ الاحتفاظ بالماء خاصية مهمة لإيثر ميثيل السليلوز، وهو أيضًا خاصية يُوليها العديد من مُصنّعي الملاط الجاف المحليين اهتمامًا خاصًا، لا سيما في المناطق الجنوبية ذات درجات الحرارة المرتفعة. تشمل العوامل المؤثرة على قدرة الملاط الجاف على الاحتفاظ بالماء: كمية إيثر ميثيل السليلوز المُضافة، ولزوجته، ونعومة الجسيمات، ودرجة حرارة بيئة الاستخدام.

1. المفهوم
إيثر السليلوز هو بوليمر صناعي يُصنع من السليلوز الطبيعي عبر تعديل كيميائي. وهو مشتق من السليلوز الطبيعي. يختلف إنتاج إيثر السليلوز عن إنتاج البوليمرات الصناعية الأخرى، إذ أن مادته الأساسية هي السليلوز، وهو مركب بوليمري طبيعي. ونظرًا لخصوصية بنية السليلوز الطبيعي، فإنه لا يتفاعل مع عوامل الإيثرة. ولكن بعد معالجته بعامل التورم، تتفكك الروابط الهيدروجينية القوية بين سلاسل جزيئات السليلوز، مما يؤدي إلى إطلاق مجموعة الهيدروكسيل، وبالتالي الحصول على إيثر السليلوز.

تعتمد خصائص إيثرات السليلوز على نوع وعدد وتوزيع البدائل. كما يُصنَّف إيثر السليلوز بناءً على نوع البدائل، ودرجة الأثيرية، والذوبانية، وخصائص التطبيق ذات الصلة. وفقًا لنوع البدائل على السلسلة الجزيئية، يمكن تقسيمه إلى إيثر أحادي وإيثر مختلط. يُعدّ MC المستخدم عادةً إيثرًا أحاديًا، بينما يُعدّ HPMC إيثرًا مختلطًا. إيثر ميثيل السليلوز MC هو الناتج الناتج عن استبدال مجموعة الهيدروكسيل على وحدة الجلوكوز في السليلوز الطبيعي بمجموعة ميثوكسي. وهو ناتج يتم الحصول عليه باستبدال جزء من مجموعة الهيدروكسيل على الوحدة بمجموعة ميثوكسي وجزء آخر بمجموعة هيدروكسي بروبيل. الصيغة البنائية هي [C6H7O2(OH)3-mn(OCH3)m[OCH2CH(OH)CH3]n]x. يُعدّ هيدروكسي إيثيل ميثيل السليلوز HEMC من الأنواع الرئيسية الشائعة الاستخدام والمتوفرة في السوق.

من حيث الذوبانية، يمكن تقسيمها إلى أيونية وغير أيونية. تتكون إيثرات السليلوز غير الأيونية القابلة للذوبان في الماء بشكل أساسي من سلسلتين: إيثرات الألكيل وإيثرات الهيدروكسي ألكيل. يُستخدم كربوكسي ميثيل السليلوز الأيوني (CMC) بشكل رئيسي في المنظفات الصناعية، وطباعة وصباغة المنسوجات، والأغذية، واستكشاف النفط. أما إيثرات السليلوز غير الأيونية (MC، HPMC، HEMC، وغيرها) فتُستخدم بشكل رئيسي في مواد البناء، وطلاءات اللاتكس، والأدوية، والمواد الكيميائية اليومية، وغيرها، كمُكثِّف، وعامل احتفاظ بالماء، ومُثبِّت، ومُشتِّت، وعامل مُكوِّن للأغشية.

ثانيًا، احتفاظ إيثر السليلوز بالماء
احتفاظ إيثر السليلوز بالماء: في إنتاج مواد البناء، وخاصة ملاط ​​المسحوق الجاف، يلعب إيثر السليلوز دورًا لا غنى عنه، وخاصة في إنتاج الملاط الخاص (الملاط المعدل)، فهو عنصر لا غنى عنه ومهم.

تتمثل الأهمية الرئيسية لإيثر السليلوز القابل للذوبان في الماء في الملاط في ثلاثة جوانب رئيسية: أولها قدرته الممتازة على الاحتفاظ بالماء، وثانيها تأثيره على قوام الملاط وخواصه الانسيابية، وثالثها تفاعله مع الأسمنت. يعتمد تأثير إيثر السليلوز في الاحتفاظ بالماء على امتصاص الطبقة الأساسية للماء، وتركيب الملاط، وسماكة طبقة الملاط، واحتياج الملاط للماء، ووقت تصلب مادة التصلب. وينتج احتفاظ إيثر السليلوز بالماء عن ذوبانه وجفافه. وكما هو معروف، فعلى الرغم من احتواء السلسلة الجزيئية للسليلوز على عدد كبير من مجموعات الهيدروكسيل (OH) عالية الترطيب، إلا أنها غير قابلة للذوبان في الماء، وذلك لأن بنية السليلوز تتميز بدرجة عالية من التبلور.

لا تكفي قدرة مجموعات الهيدروكسيل على التميؤ وحدها لتغطية الروابط الهيدروجينية القوية وقوى فان دير فالس بين الجزيئات. لذلك، ينتفخ البوليمر فقط دون أن يذوب في الماء. عند إدخال بديل في السلسلة الجزيئية، لا يؤدي هذا البديل إلى تدمير الروابط الهيدروجينية فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى تدمير الروابط الهيدروجينية بين السلاسل نتيجةً لتداخل البديل بين السلاسل المتجاورة. كلما كبر حجم البديل، زادت المسافة بين الجزيئات. وكلما زادت المسافة، زاد تأثير تدمير الروابط الهيدروجينية، ليصبح إيثر السليلوز قابلاً للذوبان في الماء بعد تمدد شبكة السليلوز ودخول المحلول، مكونًا محلولًا عالي اللزوجة. مع ارتفاع درجة الحرارة، يضعف تميؤ البوليمر، ويُطرد الماء من بين السلاسل. وعندما يكون تأثير التجفيف كافيًا، تبدأ الجزيئات بالتجمع، مكونةً هلامًا ذا بنية شبكية ثلاثية الأبعاد.

تشمل العوامل المؤثرة على احتفاظ الملاط بالماء لزوجة إيثر السليلوز، وكمية الإضافة، ونعومة الجسيمات، ودرجة حرارة الاستخدام:

كلما زادت لزوجة إيثر السليلوز، تحسّن أداء الاحتفاظ بالماء. تُعدّ اللزوجة معيارًا هامًا لأداء MC. حاليًا، يستخدم مُصنّعو MC طرقًا وأجهزةً مختلفة لقياس لزوجة MC. من أبرز هذه الطرق: هاكه روتوفيسكو، وهوبلر، وأوبيلوهدي، وبروكفيلد. بالنسبة للمنتج نفسه، تتباين نتائج قياس اللزوجة باستخدام طرق مختلفة تباينًا كبيرًا، وقد يصل التباين في بعضها إلى الضعف. لذا، عند مقارنة اللزوجة، يجب إجراء القياس باستخدام نفس طريقة الاختبار، بما في ذلك درجة الحرارة، وجهاز الدوران، وغيرها.

بشكل عام، كلما زادت اللزوجة، تحسّن احتفاظ الملاط بالماء. مع ذلك، كلما زادت اللزوجة وزاد الوزن الجزيئي لميثيل السليلوز، انخفض ذوبانه، مما يؤثر سلبًا على قوة الملاط وأدائه الإنشائي. كلما زادت اللزوجة، زاد تأثير زيادة كثافة الملاط، لكن العلاقة ليست طردية. فكلما زادت اللزوجة، زادت لزوجة الملاط الرطب، أي أنه أثناء البناء، يلتصق بالمكشطة ويلتصق بشدة بالسطح. لكن هذا لا يُسهم في زيادة قوة الملاط الرطب نفسه. أثناء البناء، لا يكون أداء مقاومة الترهل واضحًا. على النقيض من ذلك، تُظهر بعض أنواع إيثرات ميثيل السليلوز المعدلة ذات اللزوجة المتوسطة والمنخفضة أداءً ممتازًا في تحسين قوة الملاط الرطب.

كلما زادت كمية إيثر السليلوز المضافة إلى الملاط، كان أداء الاحتفاظ بالماء أفضل، وكلما زادت اللزوجة، كان أداء الاحتفاظ بالماء أفضل.

فيما يتعلق بحجم الجسيمات، كلما كانت الجسيمات أدق، كان احتفاظها بالماء أفضل. فعندما تتلامس الجسيمات الكبيرة من إيثر السليلوز مع الماء، يذوب سطحها فورًا مكونًا هلامًا يغلف المادة ويمنع جزيئات الماء من التغلغل فيها. أحيانًا، لا يمكن تشتيتها وذوبانها بشكل متجانس حتى بعد التقليب لفترة طويلة، مما يؤدي إلى تكوين محلول عكر متكتل أو تكتلات. يؤثر ذلك بشكل كبير على احتفاظ إيثر السليلوز بالماء، وتُعدّ الذوبانية أحد العوامل المهمة لاختيار إيثر السليلوز.

تُعدّ النعومة مؤشرًا هامًا لأداء إيثر ميثيل السليلوز. يجب أن يكون إيثر ميثيل السليلوز المستخدم في الملاط الجاف مسحوقًا، منخفض المحتوى المائي، وأن تتراوح نسبة حجم الجسيمات التي يقل حجمها عن 63 ميكرومترًا بين 20% و60%. تؤثر النعومة على ذوبانية إيثر ميثيل السليلوز. عادةً ما يكون إيثر ميثيل السليلوز الخشن حبيبيًا، ويسهل ذوبانه في الماء دون تكتل، لكن معدل ذوبانه بطيء جدًا، لذا فهو غير مناسب للاستخدام في الملاط الجاف. في الملاط الجاف، يتوزع إيثر ميثيل السليلوز بين مواد الربط مثل الركام والحشو الناعم والأسمنت، ولا يمكن تجنب تكتله عند مزجه بالماء إلا باستخدام مسحوق ناعم بدرجة كافية. عند إضافة إيثر ميثيل السليلوز إلى الماء لإذابة التكتلات، يصعب تشتيته وذوبانه.

لا يُعدّ استخدام ملاط ​​ذي نعومة خشنة مُهدراً فحسب، بل يُقلّل أيضاً من قوة الملاط في المناطق المُختلفة. فعند استخدام هذا النوع من الملاط الجاف على مساحة واسعة، تنخفض سرعة تصلّبه بشكل ملحوظ، وتظهر تشققات نتيجةً لاختلاف أوقات التصلّب. أما بالنسبة للملاط المرشوش المُستخدم في الإنشاءات الميكانيكية، فإنّ متطلبات النعومة تكون أعلى نظراً لقصر وقت الخلط.

تؤثر نعومة مادة الميثيل سليلوز أيضاً على قدرتها على الاحتفاظ بالماء. وبشكل عام، بالنسبة لإيثرات ميثيل السليلوز ذات اللزوجة نفسها ولكن بنعومة مختلفة، وبنفس الكمية المضافة، كلما كانت المادة أنعم كان تأثيرها في الاحتفاظ بالماء أفضل.

يرتبط احتفاظ مادة الميثيل سليلوز بالماء بدرجة الحرارة المستخدمة، حيث يقل احتفاظ إيثر ميثيل السليلوز بالماء مع ارتفاع درجة الحرارة. ومع ذلك، في التطبيقات العملية، يُستخدم الملاط الجاف غالبًا على أسطح ساخنة في درجات حرارة عالية (أعلى من 40 درجة مئوية) في العديد من البيئات، مثل تجصيص الجدران الخارجية تحت أشعة الشمس في الصيف، مما يُسرّع من تصلب الأسمنت وتصلب الملاط الجاف. ويؤدي انخفاض معدل احتفاظ الملاط بالماء إلى تأثر كل من قابلية التشغيل ومقاومة التشقق، ولذا من الضروري تقليل تأثير عوامل درجة الحرارة في هذه الحالة.

على الرغم من أن إضافات إيثر ميثيل هيدروكسي إيثيل السليلوز تُعتبر حاليًا في طليعة التطور التكنولوجي، إلا أن اعتمادها على درجة الحرارة سيؤدي إلى إضعاف أداء الملاط الجاف. فعلى الرغم من زيادة كمية ميثيل هيدروكسي إيثيل السليلوز (تركيبة الصيف)، إلا أن قابلية التشغيل ومقاومة التشقق لا تزالان غير كافيتين لتلبية متطلبات الاستخدام. ومن خلال بعض المعالجات الخاصة على مادة MC، مثل زيادة درجة الأثيرية، يمكن الحفاظ على قدرتها على الاحتفاظ بالماء عند درجات حرارة أعلى، مما يُحسّن أداءها في الظروف القاسية.

3. زيادة اللزوجة والانسيابية في إيثر السليلوز
خاصية التكثيف والانسيابية لإيثر السليلوز: تعتمد الوظيفة الثانية لإيثر السليلوز، وهي خاصية التكثيف، على درجة بلمرة إيثر السليلوز، وتركيز المحلول، ومعدل القص، ودرجة الحرارة، وغيرها من العوامل. وتُعدّ خاصية التجلط للمحلول فريدة من نوعها في ألكيل السليلوز ومشتقاته المُعدّلة. وترتبط خصائص التجلط بدرجة الاستبدال، وتركيز المحلول، والمواد المضافة. أما بالنسبة للمشتقات المُعدّلة بهيدروكسي ألكيل، فترتبط خصائص التجلط أيضًا بدرجة تعديل هيدروكسي ألكيل. بالنسبة لـ MC وHPMC منخفضي اللزوجة، يُمكن تحضير محلول بتركيز 10-15%، بينما يُمكن تحضير محلول بتركيز 5-10% لـ MC وHPMC متوسطي اللزوجة، أما بالنسبة لـ MC وHPMC عاليي اللزوجة، فيُمكن تحضير محلول بتركيز 2-3% فقط. وعادةً ما يتم تصنيف لزوجة إيثر السليلوز أيضًا بناءً على تركيز المحلول 1-2%.

يتميز إيثر السليلوز ذو الوزن الجزيئي العالي بكفاءة عالية في زيادة اللزوجة. في المحلول ذي التركيز نفسه، تختلف لزوجة البوليمرات ذات الأوزان الجزيئية المختلفة. ولا يمكن الوصول إلى اللزوجة المطلوبة إلا بإضافة كمية كبيرة من إيثر السليلوز ذي الوزن الجزيئي المنخفض. وتعتمد لزوجته بشكل طفيف على معدل القص، وعند الوصول إلى اللزوجة المطلوبة، تكون كمية الإضافة المطلوبة قليلة، وتعتمد اللزوجة على كفاءة زيادة اللزوجة. لذلك، وللحصول على قوام معين، يجب ضمان تركيز معين من إيثر السليلوز (تركيز المحلول) ولزوجة مناسبة للمحلول. كما تنخفض درجة حرارة تجلط المحلول خطيًا مع زيادة تركيزه، ويتجمد عند درجة حرارة الغرفة بعد بلوغ تركيز معين. ويكون تركيز تجلط هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز (HPMC) مرتفعًا نسبيًا عند درجة حرارة الغرفة.

يمكن أيضًا تعديل القوام باختيار حجم الجسيمات واختيار إيثرات السليلوز بدرجات تعديل مختلفة. يُقصد بالتعديل إدخال درجة معينة من استبدال مجموعات الهيدروكسي ألكيل على البنية الأساسية لـ MC. من خلال تغيير قيم الاستبدال النسبية للمستبدلين، أي قيم الاستبدال النسبية DS و ms لمجموعتي الميثوكسي والهيدروكسي ألكيل، يمكن الحصول على متطلبات أداء متنوعة لإيثر السليلوز بتغيير قيم الاستبدال النسبية للمستبدلين.

العلاقة بين الاتساق والتعديل: تؤثر إضافة إيثر السليلوز على استهلاك الماء في الملاط، وتغيير نسبة الماء إلى المادة الرابطة للماء والأسمنت هو تأثير التكثيف، وكلما زادت الجرعة زاد استهلاك الماء.

يجب أن تذوب إيثرات السليلوز المستخدمة في مواد البناء المسحوقة بسرعة في الماء البارد وأن توفر قوامًا مناسبًا للنظام. وإذا تعرضت لمعدل قص معين، فإنها ستظل متكتلة ومتكتلة، مما ينتج عنه منتج دون المستوى المطلوب أو رديء الجودة.
توجد علاقة خطية جيدة بين قوام عجينة الأسمنت وجرعة إيثر السليلوز. يُمكن لإيثر السليلوز أن يزيد لزوجة الملاط بشكل كبير، وكلما زادت الجرعة، كان التأثير أوضح. يتميز محلول إيثر السليلوز المائي عالي اللزوجة بخاصية الانسيابية العالية، وهي سمة رئيسية لإيثر السليلوز. عادةً ما تتميز المحاليل المائية لبوليمرات MC بسيولة شبه لدنة وغير انسيابية تحت درجة حرارة التجلط، ولكنها تتمتع بخصائص تدفق نيوتوني عند معدلات القص المنخفضة. تزداد اللدونة الكاذبة مع الوزن الجزيئي أو تركيز إيثر السليلوز، بغض النظر عن نوع البديل ودرجة الاستبدال. لذلك، فإن إيثرات السليلوز من نفس درجة اللزوجة، سواء كانت MC أو HPMC أو HEMC، ستُظهر دائمًا نفس الخصائص الريولوجية طالما بقي التركيز ودرجة الحرارة ثابتين.

تتشكل المواد الهلامية الهيكلية عند ارتفاع درجة الحرارة، وتحدث تدفقات انسيابية عالية. تُظهر إيثرات السليلوز عالية التركيز ومنخفضة اللزوجة خاصية الانسيابية حتى عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة التجلط. تُعد هذه الخاصية مفيدة للغاية في ضبط مستوى وتسوية ملاط ​​البناء. تجدر الإشارة هنا إلى أنه كلما زادت لزوجة إيثر السليلوز، تحسّن احتفاظه بالماء، ولكن مع زيادة اللزوجة، يزداد وزنه الجزيئي النسبي، ويقلّ ذوبانه، مما يؤثر سلبًا على تركيز الملاط وأداء البناء. كلما زادت اللزوجة، زاد تأثير زيادة اللزوجة على الملاط، ولكن العلاقة ليست طردية تمامًا. بعض أنواع إيثر السليلوز ذات اللزوجة المتوسطة والمنخفضة تُظهر أداءً أفضل في تحسين قوة الملاط الرطب. مع زيادة اللزوجة، يتحسن احتفاظ إيثر السليلوز بالماء. 4. إبطاء إيثر السليلوز

إبطاء عملية إماهة الأسمنت بواسطة إيثر السليلوز: تتمثل الوظيفة الثالثة لإيثر السليلوز في إبطاء عملية إماهة الأسمنت. يُكسب إيثر السليلوز الملاط خصائص مفيدة متعددة، كما يُقلل من حرارة الإماهة المبكرة للأسمنت ويُؤخر عملية الإماهة الديناميكية. وهذا غير مُناسب لاستخدام الملاط في المناطق الباردة. وينتج هذا التأثير المُبطئ عن امتزاز جزيئات إيثر السليلوز على نواتج الإماهة مثل سيليكات الكالسيوم المائية (CSH) وهيدروكسيد الكالسيوم (Ca(OH)2). وبسبب زيادة لزوجة محلول المسام، يُقلل إيثر السليلوز من حركة الأيونات في المحلول، مما يُؤخر عملية الإماهة.