In Fertigmörtel ist die Zugabemenge an Celluloseether sehr gering, kann aber die Eigenschaften des Nassmörtels deutlich verbessern und ist ein wichtiger Zusatzstoff, der die Verarbeitungseigenschaften des Mörtels beeinflusst. Die gezielte Auswahl von Celluloseethern unterschiedlicher Art, Viskosität, Partikelgröße und Viskosität sowie die unterschiedliche Zugabemenge wirken sich positiv auf die Eigenschaften von Trockenmörtel aus. Viele Mauer- und Putzmörtel weisen derzeit ein schlechtes Wasserrückhaltevermögen auf, und die Wassersuspension entmischt sich bereits nach wenigen Minuten. Das Wasserrückhaltevermögen ist eine wichtige Eigenschaft von Methylcelluloseether und wird von vielen inländischen Trockenmörtelherstellern, insbesondere in südlichen Regionen mit hohen Temperaturen, berücksichtigt. Faktoren, die das Wasserrückhaltevermögen von Trockenmörtel beeinflussen, sind die zugesetzte Menge an Methylcelluloseether, dessen Viskosität, die Partikelgröße und die Umgebungstemperatur.
1. Konzept
Celluloseether ist ein synthetisches Polymer, das durch chemische Modifizierung aus natürlicher Cellulose hergestellt wird. Es handelt sich um ein Derivat der natürlichen Cellulose. Die Herstellung von Celluloseether unterscheidet sich von der Herstellung anderer synthetischer Polymere. Sein Grundmaterial ist Cellulose, ein natürliches Polymer. Aufgrund ihrer besonderen Struktur reagiert die natürliche Cellulose nicht mit Veretherungsmitteln. Nach der Behandlung mit einem Quellmittel werden jedoch die starken Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Molekülketten aufgebrochen, und die Freisetzung der Hydroxylgruppen führt zu einer reaktiven Alkalicellulose. So erhält man Celluloseether.
Die Eigenschaften von Celluloseethern hängen von Art, Anzahl und Verteilung der Substituenten ab. Die Klassifizierung von Celluloseethern basiert ebenfalls auf der Art der Substituenten, dem Veretherungsgrad, der Löslichkeit und den damit verbundenen Anwendungseigenschaften. Je nach Art der Substituenten an der Molekülkette lassen sie sich in Monoether und gemischte Ether unterteilen. Das üblicherweise verwendete Methylcelluloseether (MC) ist ein Monoether, während Hydroxyethylmethylcelluloseether (HPMC) ein gemischter Ether ist. Methylcelluloseether (MC) entsteht durch die Substitution der Hydroxylgruppe der Glucoseeinheit natürlicher Cellulose durch eine Methoxygruppe. Es handelt sich um ein Produkt, bei dem ein Teil der Hydroxylgruppe durch eine Methoxygruppe und ein anderer Teil durch eine Hydroxypropylgruppe substituiert wird. Die Strukturformel lautet [C₆H₇O₂(OH)₃-mn(OCH₃)m[OCH₂CH(OH)CH₃]n]ₓ. Hydroxyethylmethylcelluloseether (HEMC) sind die am weitesten verbreiteten und im Handel erhältlichen Varianten.
Hinsichtlich ihrer Löslichkeit lassen sich Celluloseether in ionische und nichtionische unterteilen. Wasserlösliche, nichtionische Celluloseether bestehen hauptsächlich aus zwei Reihen: Alkylethern und Hydroxyalkylethern. Ionische Cellulosecellulose (CMC) findet vorwiegend Anwendung in synthetischen Waschmitteln, im Textildruck und -färben, in der Lebensmittelindustrie und in der Erdölförderung. Nichtionische Cellulosecellulosen wie Methylcellulose (MC), Hydroxymethylcellulose (HPMC) und Hydroxymethylcellulose (HEMC) werden hauptsächlich in Baustoffen, Latex-Beschichtungen, Arzneimitteln und Haushaltschemikalien eingesetzt. Sie dienen als Verdickungsmittel, Wasserrückhaltemittel, Stabilisatoren, Dispergiermittel und Filmbildner.
Zweitens, die Wasserretention von Celluloseether
Wasserretention von Celluloseether: Bei der Herstellung von Baustoffen, insbesondere von Trockenpulvermörtel, spielt Celluloseether eine unersetzliche Rolle; insbesondere bei der Herstellung von Spezialmörtel (modifiziertem Mörtel) ist er ein unverzichtbarer und wichtiger Bestandteil.
Die wichtige Rolle von wasserlöslichem Celluloseether im Mörtel lässt sich im Wesentlichen in drei Aspekte unterteilen: Erstens in seine ausgezeichnete Wasserrückhaltefähigkeit, zweitens in seinen Einfluss auf die Konsistenz und Thixotropie des Mörtels und drittens in seine Wechselwirkung mit dem Zement. Die Wasserrückhaltewirkung von Celluloseether hängt von der Wasseraufnahme der Tragschicht, der Zusammensetzung und Dicke der Mörtelschicht, dem Wasserbedarf des Mörtels und der Abbindezeit des Bindemittels ab. Die Wasserrückhaltung des Celluloseethers selbst beruht auf seiner Löslichkeit und Dehydratisierung. Bekanntermaßen ist Cellulose trotz der zahlreichen hydratisierbaren OH-Gruppen in ihrer Molekülkette aufgrund ihrer hohen Kristallinität nicht wasserlöslich.
Die Hydratationsfähigkeit von Hydroxylgruppen allein reicht nicht aus, um die starken Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Molekülen zu kompensieren. Daher quillt das Material zwar in Wasser auf, löst sich aber nicht. Wird ein Substituent in die Molekülkette eingeführt, zerstört dieser nicht nur die Wasserstoffbrückenbindungen, sondern auch die intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen, da er sich zwischen benachbarte Ketten einlagert. Je größer der Substituent, desto größer der Abstand zwischen den Molekülen. Je größer dieser Abstand, desto stärker die Zerstörung der Wasserstoffbrückenbindungen. Celluloseether wird wasserlöslich, nachdem sich das Cellulosegitter ausdehnt und die Lösung eindringt, wodurch eine hochviskose Lösung entsteht. Mit steigender Temperatur schwächt sich die Hydratation des Polymers ab, und das Wasser zwischen den Ketten wird verdrängt. Bei ausreichender Dehydratation beginnen die Moleküle zu aggregieren und bilden ein dreidimensionales Netzwerkgel.
Zu den Faktoren, die die Wasserretention von Mörtel beeinflussen, gehören die Viskosität des Celluloseethers, die Zugabemenge, die Partikelfeinheit und die Anwendungstemperatur:
Je höher die Viskosität von Celluloseether, desto besser die Wasserrückhalteleistung. Die Viskosität ist ein wichtiger Parameter für die Leistung von MC (Milchcellulose). Derzeit verwenden verschiedene MC-Hersteller unterschiedliche Methoden und Geräte zur Viskositätsmessung. Die gängigsten Methoden sind Haake Rotovisko, Hoppler, Ubbelohde und Brookfield. Für dasselbe Produkt können die mit verschiedenen Methoden gemessenen Viskositätswerte stark voneinander abweichen, teilweise sogar um das Doppelte. Daher müssen Viskositätsvergleiche stets mit denselben Testmethoden durchgeführt werden, einschließlich der gleichen Parameter wie Temperatur und Rotor.
Generell gilt: Je höher die Viskosität, desto besser die Wasserrückhaltung. Allerdings führt eine höhere Viskosität und ein höheres Molekulargewicht der Methylcellulose (MC) zu einer entsprechenden Abnahme der Löslichkeit, was sich negativ auf die Festigkeit und die Verarbeitungseigenschaften des Mörtels auswirkt. Höhere Viskosität bewirkt zwar eine stärkere Verdickung des Mörtels, jedoch ist dieser Effekt nicht direkt proportional. Höhere Viskosität führt zu zähflüssigerem Nassmörtel, was sich während der Verarbeitung durch Anhaften am Spachtel und starke Haftung am Untergrund äußert. Die strukturelle Festigkeit des Nassmörtels selbst wird dadurch jedoch nicht erhöht. Die Stabilität des Mörtels ist während der Verarbeitung nicht deutlich verbessert. Im Gegensatz dazu zeigen einige modifizierte Methylcelluloseether mit mittlerer und niedriger Viskosität eine ausgezeichnete Verbesserung der strukturellen Festigkeit von Nassmörtel.
Je größer die Menge an Celluloseether im Mörtel ist, desto besser ist das Wasserrückhaltevermögen; je höher die Viskosität, desto besser ist ebenfalls das Wasserrückhaltevermögen.
Bezüglich der Partikelgröße gilt: Je feiner die Partikel, desto besser die Wasserrückhaltung. Große Celluloseetherpartikel lösen sich nach dem Kontakt mit Wasser sofort an der Oberfläche auf und bilden ein Gel, das das Material umhüllt und so das weitere Eindringen von Wassermolekülen verhindert. Manchmal lässt sich das Material selbst nach längerem Rühren nicht gleichmäßig dispergieren und auflösen, wodurch eine trübe, flockige Lösung oder Agglomerate entstehen. Dies beeinträchtigt die Wasserrückhaltung des Celluloseethers erheblich, weshalb die Löslichkeit ein wichtiger Faktor bei der Auswahl des Celluloseethers ist.
Die Feinheit ist ein wichtiges Leistungsmerkmal von Methylcelluloseether. Für Trockenmörtel muss der verwendete Methylcelluloseether pulverförmig sein, einen geringen Wassergehalt aufweisen und eine Partikelgröße von 20–60 % unter 63 µm haben. Die Feinheit beeinflusst die Löslichkeit des Methylcelluloseethers. Grober Methylcelluloseether ist in der Regel körnig und löst sich zwar leicht in Wasser, ohne zu verklumpen, jedoch sehr langsam, weshalb er für Trockenmörtel ungeeignet ist. In Trockenmörtel ist der Methylcelluloseether zwischen Bindemitteln wie Zuschlagstoffen, Feinfüllstoffen und Zement dispergiert. Nur ein ausreichend feines Pulver verhindert die Verklumpung des Methylcelluloseethers beim Mischen mit Wasser. Die Zugabe von Wasser zum Auflösen der Agglomerate gestaltet sich sehr schwierig.
Eine zu grobe Körnung des Trockenmörtels ist nicht nur verschwenderisch, sondern verringert auch die lokale Festigkeit des Mörtels. Bei großflächiger Anwendung eines solchen Trockenmörtels verlangsamt sich die Aushärtungsgeschwindigkeit lokal erheblich, und es entstehen Risse aufgrund unterschiedlicher Aushärtungszeiten. Bei maschinell verarbeitetem Spritzmörtel sind die Anforderungen an die Feinheit aufgrund der kürzeren Mischzeit höher.
Die Feinheit von Methylcellulose beeinflusst auch deren Wasserrückhaltevermögen. Generell gilt: Bei Methylcelluloseethern gleicher Viskosität, aber unterschiedlicher Feinheit, ist die Wasserrückhaltewirkung bei gleicher Zugabemenge umso besser, je feiner die Faser ist.
Die Wasserretention von Methylcelluloseether (MC) hängt von der verwendeten Temperatur ab; sie nimmt mit steigender Temperatur ab. In der Praxis wird Trockenmörtel jedoch häufig auf heißen Untergründen bei hohen Temperaturen (über 40 °C) verarbeitet, beispielsweise beim Verputzen von Außenwänden in der Sommersonne. Dies beschleunigt die Aushärtung des Zements und des Trockenmörtels. Der Rückgang der Wasserretention beeinträchtigt die Verarbeitbarkeit und Rissbeständigkeit, weshalb es unter diesen Bedingungen besonders wichtig ist, den Einfluss der Temperatur zu minimieren.
Obwohl Methylhydroxyethylcellulose-Ether-Additive derzeit als technologisch führend gelten, führt ihre Temperaturabhängigkeit weiterhin zu einer Beeinträchtigung der Eigenschaften von Trockenpulvermörtel. Selbst bei erhöhter Methylhydroxyethylcellulose-Menge (Sommerrezeptur) genügen Verarbeitbarkeit und Rissbeständigkeit nicht den Anwendungsanforderungen. Durch spezielle Behandlungen des Methylhydroxyethylcellulose-Ethers, wie beispielsweise die Erhöhung des Veretherungsgrades, lässt sich die Wasserrückhaltewirkung auch bei höheren Temperaturen erhalten, wodurch sich die Leistung unter anspruchsvollen Bedingungen verbessert.
3. Verdickung und Thixotropie von Celluloseether
Verdickung und Thixotropie von Celluloseether: Die zweite Funktion von Celluloseether – die Verdickung – hängt vom Polymerisationsgrad des Celluloseethers, der Lösungskonzentration, der Scherrate, der Temperatur und weiteren Bedingungen ab. Die Gelierungseigenschaften der Lösung sind charakteristisch für Alkylcellulose und ihre modifizierten Derivate. Sie hängen vom Substitutionsgrad, der Lösungskonzentration und den Additiven ab. Bei Hydroxyalkyl-modifizierten Derivaten sind die Gelierungseigenschaften zusätzlich vom Modifizierungsgrad der Hydroxyalkylgruppen abhängig. Für niedrigviskose MC und HPMC lassen sich 10–15%ige Lösungen herstellen, für mittelviskose MC und HPMC 5–10%ige, während für hochviskose MC und HPMC nur 2–3%ige Lösungen möglich sind. Üblicherweise wird die Viskosität von Celluloseether auch anhand von 1–2%igen Lösungen klassifiziert.
Hochmolekularer Celluloseether besitzt eine hohe Verdickungswirkung. Polymere mit unterschiedlichen Molekulargewichten weisen in Lösungen gleicher Konzentration unterschiedliche Viskositäten auf. Die Zielviskosität lässt sich nur durch Zugabe einer großen Menge niedermolekularen Celluloseethers erreichen. Dessen Viskosität ist weitgehend scherratenabhängig, und die erforderliche Zugabemenge ist gering, da die Viskosität von der Verdickungswirkung abhängt. Um eine bestimmte Konsistenz zu erzielen, müssen daher eine bestimmte Menge an Celluloseether (Lösungskonzentration) und eine bestimmte Lösungsviskosität gewährleistet sein. Die Gelierungstemperatur der Lösung sinkt linear mit steigender Konzentration; ab einer bestimmten Konzentration geliert die Lösung bei Raumtemperatur. Die Gelierungskonzentration von HPMC ist bei Raumtemperatur relativ hoch.
Die Konsistenz lässt sich durch die Wahl der Partikelgröße und der Celluloseether mit unterschiedlichen Modifizierungsgraden anpassen. Die Modifizierung besteht in der Einführung eines bestimmten Substitutionsgrades von Hydroxyalkylgruppen in die Grundstruktur der MC. Dies geschieht durch die Veränderung der relativen Substitutionsgrade der beiden Substituenten, also der relativen Substitutionsgrade DS und ms der Methoxy- und Hydroxyalkylgruppen. Durch die Variation dieser relativen Substitutionsgrade können verschiedene Eigenschaften der Celluloseether erzielt werden.
Der Zusammenhang zwischen Konsistenz und Modifizierung: Die Zugabe von Celluloseether beeinflusst den Wasserverbrauch des Mörtels; die Änderung des Wasser-Bindemittel-Verhältnisses von Wasser und Zement bewirkt eine Verdickung; je höher die Dosierung, desto größer der Wasserverbrauch.
Celluloseether, die in pulverförmigen Baustoffen verwendet werden, müssen sich schnell in kaltem Wasser lösen und die für das System geeignete Konsistenz aufweisen. Bei einer bestimmten Scherrate verklumpen sie jedoch und bilden kolloidale Blöcke, was ein minderwertiges Produkt darstellt.
Es besteht ein guter linearer Zusammenhang zwischen der Konsistenz der Zementpaste und der Dosierung von Celluloseether. Celluloseether kann die Viskosität von Mörtel deutlich erhöhen. Je höher die Dosierung, desto ausgeprägter der Effekt. Wässrige Celluloseetherlösungen mit hoher Viskosität weisen eine hohe Thixotropie auf, die ebenfalls ein Hauptmerkmal von Celluloseether ist. Wässrige Lösungen von MC-Polymeren zeigen üblicherweise unterhalb ihrer Geltemperatur ein pseudoplastisches und nicht-thixotropes Fließverhalten, jedoch bei niedrigen Scherraten newtonsche Fließeigenschaften. Die Pseudoplastizität nimmt mit dem Molekulargewicht bzw. der Konzentration des Celluloseethers zu, unabhängig von Art und Grad der Substituenten. Daher weisen Celluloseether gleicher Viskositätsklasse – egal ob MC, HPMC oder HEMC – bei konstanter Konzentration und Temperatur stets die gleichen rheologischen Eigenschaften auf.
Bei steigender Temperatur bilden sich Strukturgele, die stark thixotropes Fließverhalten aufweisen. Hochkonzentrierte und niedrigviskose Celluloseether zeigen bereits unterhalb der Gelierungstemperatur Thixotropie. Diese Eigenschaft ist für die Nivellierung und das Ausgleichen von Setzungen beim Baumörtel von großem Vorteil. Hierbei ist zu beachten, dass mit steigender Viskosität des Celluloseethers zwar die Wasserretention verbessert wird, jedoch gleichzeitig das relative Molekulargewicht des Celluloseethers steigt und die Löslichkeit entsprechend abnimmt. Dies wirkt sich negativ auf die Mörtelkonzentration und die Bauleistung aus. Höhere Viskosität führt zwar zu einer stärkeren Verdickung des Mörtels, jedoch ist dieser Effekt nicht vollständig proportional. Einige mittel- und niedrigviskose, modifizierte Celluloseether weisen eine bessere Leistung bei der Verbesserung der Strukturfestigkeit von Nassmörtel auf. Mit zunehmender Viskosität verbessert sich die Wasserretention des Celluloseethers. 4. Verzögerung durch Celluloseether
Verzögerung durch Celluloseether: Die dritte Funktion von Celluloseether besteht in der Verzögerung der Zementhydratation. Celluloseether verleiht Mörtel verschiedene vorteilhafte Eigenschaften, reduziert die anfängliche Hydratationswärme des Zements und verlangsamt dessen Hydratationsdynamik. Dies ist für die Verwendung von Mörtel in kalten Regionen ungünstig. Dieser verzögernde Effekt beruht auf der Adsorption von Celluloseethermolekülen an Hydratationsprodukten wie CSH und Ca(OH)₂. Durch die Erhöhung der Viskosität der Porenlösung verringert der Celluloseether die Ionenmobilität in der Lösung und verzögert so den Hydratationsprozess.
Veröffentlichungsdatum: 04.02.2023