ما هو دور إيثر السليلوز في الملاط الجاف المخلوط؟

إيثر السليلوز هو بوليمر صناعي يُصنع من السليلوز الطبيعي كمادة خام عن طريق التعديل الكيميائي. يُعد إيثر السليلوز مشتقًا من السليلوز الطبيعي، ويختلف إنتاجه عن إنتاج البوليمر الصناعي، حيث 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 يُطلق مجموعة الهيدروكسيل النشطة في السليلوز القلوي، وبالتالي يُصبح السليلوز قابلًا للتفاعل، ومن ثم يُحصل على إيثر السليلوز من خلال تفاعل مجموعة الهيدروكسيل (OH) مع عامل الإيثرة لتكوين مجموعة الهيدروكسيل (OR).

تعتمد خصائص إيثرات السليلوز على نوع وعدد وتوزيع البدائل. كما يُصنّف إيثر السليلوز بناءً على نوع البدائل، ودرجة الأثيرية، والذوبانية، والتطبيقات ذات الصلة. ويمكن تقسيمه، وفقًا لنوع البدائل على السلسلة الجزيئية، إلى إيثر أحادي وإيثر مختلط. يُستخدم MC عادةً كإيثر أحادي، بينما يُستخدم HPmc كإيثر مختلط. يُعدّ ميثيل السليلوز إيثر MC وحدة جلوكوز سليلوزي طبيعية، حيث يتم استبدال مجموعة الهيدروكسيل بمجموعة ميثوكسيد، وتكون الصيغة البنائية للمنتج [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X. أما هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز إيثر HPmc، فهو وحدة يتم استبدال جزء من مجموعة الهيدروكسيل فيها بمجموعة ميثوكسيد، بينما يتم استبدال الجزء الآخر بمجموعة هيدروكسي بروبيل. وتكون الصيغة البنائية للمنتج [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] X. أما هيدروكسي إيثيل ميثيل السليلوز إيثر HEmc، فهو منتج شائع الاستخدام ومتوفر في السوق.

يمكن تقسيم إيثر السليلوز، بناءً على قابليته للذوبان، إلى نوعين: أيوني وغير أيوني. يتكون إيثر السليلوز غير الأيوني القابل للذوبان في الماء بشكل أساسي من سلسلتين: إيثر الألكيل وإيثر هيدروكسي ألكيل. يُستخدم إيثر السليلوز الأيوني (CMC) بشكل رئيسي في المنظفات الصناعية، والمنسوجات، والطباعة، والأغذية، واستخراج النفط. أما إيثر السليلوز غير الأيوني (MC، وHPMC، وHEMC، وغيرها) فيُستخدم بشكل رئيسي في مواد البناء، وطلاءات اللاتكس، والأدوية، والمستحضرات الكيميائية اليومية، وغيرها، كمواد مُكثِّفة، ومواد حافظة للماء، ومثبتات، ومشتتات، ومواد مُشكِّلة للأغشية.

احتفاظ إيثر السليلوز بالماء

في إنتاج مواد البناء، وخاصة الملاط الجاف المخلوط، يلعب إيثر السليلوز دورًا لا غنى عنه، وخاصة في إنتاج الملاط الخاص (الملاط المعدل)، فهو جزء لا غنى عنه.

يتمثل الدور المهم لإيثر السليلوز القابل للذوبان في الماء في الملاط بشكل أساسي في ثلاثة جوانب، أولها القدرة الممتازة على الاحتفاظ بالماء، وثانيها تأثير قوام الملاط وخواصه الانسيابية، وثالثها التفاعل مع الأسمنت.

تعتمد قدرة إيثر السليلوز على الاحتفاظ بالماء على عدة عوامل، منها: خاصية امتصاص الماء، وتركيب الملاط، وسُمك طبقة الملاط، وكمية الماء المطلوبة، ومدة تكثيف المادة. وتنتج هذه القدرة عن ذوبان إيثر السليلوز نفسه وجفافه. من المعروف أن سلاسل جزيئات السليلوز، على الرغم من احتوائها على عدد كبير من مجموعات الهيدروكسيل (OH) عالية التميه، إلا أنها غير قابلة للذوبان في الماء نظرًا لبنيتها البلورية العالية. ولا تكفي قدرة مجموعات الهيدروكسيل على التميه وحدها لتعويض الروابط الهيدروجينية القوية بين الجزيئات وقوى فان دير فالس. عند إدخال بدائل في السلسلة الجزيئية، لا تعمل هذه البدائل على تدمير الروابط الهيدروجينية فحسب، بل تُكسر أيضًا الروابط الهيدروجينية بين السلاسل نتيجةً لتداخل البدائل بين السلاسل المتجاورة. وكلما زاد حجم البدائل، زادت المسافة بين الجزيئات. كلما زاد تدمير الروابط الهيدروجينية، وتمددت شبكة السليلوز، أصبح المحلول في إيثر السليلوز قابلاً للذوبان في الماء، مما يؤدي إلى تكوين محلول عالي اللزوجة. مع ارتفاع درجة الحرارة، يقل ترطيب البوليمر، ويُطرد الماء الموجود بين السلاسل. عندما يكون تأثير التجفيف كافيًا، تبدأ الجزيئات بالتجمع، ويتشكل الهلام في شبكة ثلاثية الأبعاد. تشمل العوامل المؤثرة على احتفاظ الملاط بالماء لزوجة إيثر السليلوز، والجرعة، ونعومة الجسيمات، ودرجة حرارة الاستخدام.

كلما زادت لزوجة إيثر السليلوز، تحسّن أداء احتفاظه بالماء، وكذلك لزوجة محلول البوليمر. يتحدد الوزن الجزيئي (درجة البلمرة) للبوليمر أيضًا بطول وشكل البنية الجزيئية للسلسلة، ويؤثر توزيع عدد البدائل بشكل مباشر على نطاق اللزوجة. [η] = Km α

اللزوجة الذاتية لمحاليل البوليمر

الوزن الجزيئي للبوليمر M

ثابت مميز لبوليمر ألفا

معامل لزوجة المحلول K

تعتمد لزوجة محلول البوليمر على الوزن الجزيئي للبوليمر. وترتبط لزوجة وتركيز محاليل إيثر السليلوز بتطبيقات متنوعة. لذا، يتميز كل إيثر سليلوزي بمواصفات لزوجة مختلفة، ويتم تنظيم اللزوجة بشكل أساسي من خلال تحلل السليلوز القلوي، أي تكسير السلسلة الجزيئية للسليلوز.

بالنسبة لحجم الجسيمات، كلما كانت الجسيمات أدق، كان احتفاظها بالماء أفضل. عند ملامسة جسيمات إيثر السليلوز الكبيرة للماء، تذوب فورًا مكونةً هلامًا يغلف المادة ويمنع جزيئات الماء من اختراقها. أحيانًا، قد لا يؤدي التحريك لفترات طويلة إلى تشتيت الجسيمات بشكل متجانس، مما ينتج عنه محلول عكر متكتل أو تكتلات. تُعد قابلية ذوبان إيثر السليلوز أحد العوامل المهمة لاختياره.

زيادة اللزوجة والانسيابية في إيثر السليلوز

يعتمد التأثير الثاني لإيثر السليلوز - وهو زيادة اللزوجة - على درجة بلمرة إيثر السليلوز، وتركيز المحلول، ومعدل القص، ودرجة الحرارة، وغيرها من العوامل. وتُعدّ خاصية التجلط للمحلول فريدة من نوعها بالنسبة لألكيل السليلوز ومشتقاته المُعدّلة. وترتبط خصائص التجلط بدرجة الاستبدال، وتركيز المحلول، والمواد المضافة. أما بالنسبة للمشتقات المُعدّلة بهيدروكسيل ألكيل، فترتبط خصائص الهلام أيضًا بدرجة تعديل هيدروكسيل ألكيل. بالنسبة لتركيز المحلول، يمكن تحضير MC وHPmc منخفض اللزوجة بتركيز 10-15%، وMC وHPmc متوسط ​​اللزوجة بتركيز 5-10%، بينما لا يمكن تحضير MC وHPmc عالي اللزوجة إلا بتركيز 2-3%، وعادةً ما يتم تحديد لزوجة إيثر السليلوز أيضًا بتركيز 1-2%. تختلف كفاءة مُكثِّف إيثر السليلوز ذي الوزن الجزيئي العالي باختلاف تركيز المحلول، حيث تختلف لزوجة البوليمرات ذات الأوزان الجزيئية المختلفة. ويمكن التعبير عن اللزوجة والوزن الجزيئي كما يلي: [η] = 2.92 × 10⁻² (DPn) 0.905، حيث DPn هو متوسط ​​درجة البلمرة. يتطلب الوصول إلى اللزوجة المطلوبة إضافة كمية أكبر من إيثر السليلوز ذي الوزن الجزيئي المنخفض، إذ تعتمد لزوجته بشكل أقل على معدل القص. أما للوصول إلى اللزوجة المطلوبة، فيتطلب الأمر إضافة كمية أقل، وتعتمد اللزوجة على كفاءة التكثيف. لذلك، لتحقيق قوام معين، يجب ضمان كمية محددة من إيثر السليلوز (تركيز المحلول) ولزوجة المحلول. تنخفض درجة حرارة التجلط للمحلول خطيًا مع زيادة تركيزه، ويحدث التجلط عند درجة حرارة الغرفة بعد الوصول إلى تركيز معين. يتميز HPmc بتركيز تجلط عالٍ عند درجة حرارة الغرفة.

يمكن أيضًا تعديل القوام عن طريق اختيار حجم الجسيمات وإيثرات السليلوز بدرجات تعديل مختلفة. يُقصد بالتعديل إدخال مجموعة هيدروكسيل ألكيل بدرجة استبدال معينة على البنية الأساسية لـ MC. يتم ذلك بتغيير قيم الاستبدال النسبية لمجموعتي الميثوكسي والهيدروكسيل، أي قيم الاستبدال النسبية لمجموعتي DS وMS. تُطلب خصائص مختلفة لإيثرات السليلوز بتغيير قيم الاستبدال النسبية لهذين النوعين من المجموعات البديلة.

العلاقة بين التماسك والتعديل. في الشكل 5، تؤثر إضافة إيثر السليلوز على استهلاك الماء في الملاط وتغير نسبة الماء إلى المادة الرابطة بين الماء والأسمنت، وهو ما يُعرف بتأثير التكثيف. كلما زادت الجرعة، زاد استهلاك الماء.

يجب أن تذوب إيثرات السليلوز المستخدمة في مواد البناء المسحوقة بسرعة في الماء البارد، وأن توفر للنظام القوام المناسب. إذا بقي المنتج متكتلاً وغروانياً عند معدل قص معين، فهذا يعني أنه دون المستوى المطلوب أو رديء الجودة.

توجد أيضًا علاقة خطية جيدة بين قوام ملاط ​​الأسمنت وجرعة إيثر السليلوز، حيث يمكن لإيثر السليلوز أن يزيد بشكل كبير من لزوجة الملاط، وكلما زادت الجرعة، كان التأثير أكثر وضوحًا.

يتميز المحلول المائي لإيثر السليلوز عالي اللزوجة بخاصية الانسيابية العالية، وهي إحدى خصائص إيثر السليلوز. عادةً ما تتمتع المحاليل المائية لبوليمرات النوع Mc بسيولة شبه لدنة وغير انسيابية تحت درجة حرارة التجلط، ولكنها تُظهر خصائص تدفق نيوتوني عند معدلات القص المنخفضة. تزداد اللدونة الكاذبة مع زيادة الوزن الجزيئي أو تركيز إيثر السليلوز، وهي مستقلة عن نوع ودرجة الاستبدال. لذلك، تُظهر إيثرات السليلوز من نفس درجة اللزوجة، سواء كانت MC أو HPmc أو HEmc، نفس الخصائص الريولوجية طالما بقي التركيز ودرجة الحرارة ثابتين. عند ارتفاع درجة الحرارة، يتشكل هلام بنيوي ويحدث تدفق انسيابي عالٍ. تُظهر إيثرات السليلوز ذات التركيز العالي واللزوجة المنخفضة خاصية الانسيابية حتى تحت درجة حرارة التجلط. تُعد هذه الخاصية ذات فائدة كبيرة في بناء ملاط ​​البناء لضبط سيولته وخصائص ثباته. تجدر الإشارة هنا إلى أنه كلما زادت لزوجة إيثر السليلوز، تحسّن احتفاظه بالماء، ولكن مع زيادة اللزوجة، يزداد وزنه الجزيئي النسبي، مما يقلل من ذوبانيته، وهو ما يؤثر سلبًا على تركيز الملاط وأداء البناء. كلما زادت اللزوجة، ازداد تأثير زيادة كثافة الملاط وضوحًا، ولكن هذه ليست علاقة تناسبية تامة. بعض أنواع إيثر السليلوز المُعدّل ذات اللزوجة المنخفضة تُظهر أداءً أفضل في تحسين قوة الملاط الرطب، حيث يزداد احتفاظ إيثر السليلوز بالماء مع زيادة اللزوجة.