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.
Die Wasserretention ist eine wichtige Eigenschaft von MethylCelluloseetherDiese Eigenschaft ist auch für viele inländische Hersteller von Trockenmörtel, insbesondere in südlichen Regionen mit hohen Temperaturen, von Bedeutung. Faktoren, die die Wasserrückhaltefähigkeit von Trockenmörtel beeinflussen, sind unter anderem die Menge des zugesetzten Feuchtmischguts, dessen Viskosität, die Korngröße und die Umgebungstemperatur.
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 Hydroxymethylcelluloseether (HPMC) ein gemischter Ether ist. Methylcelluloseether (MC) entsteht durch die Substitution der Hydroxylgruppe der Glucoseeinheit natürlicher Cellulose durch Methoxygruppen. Dabei wird ein Teil der Hydroxylgruppe durch eine Methoxygruppe und der andere Teil durch eine Hydroxypropylgruppe ersetzt. Ethylmethylcelluloseether (HEMC) und andere Varianten sind die am weitesten verbreiteten und im Handel erhältlichen.
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.
Wasserretention von Celluloseether: Bei der Herstellung von Baustoffen, insbesondere von Trockenmörtel, spielt Celluloseether eine unersetzliche Rolle. Vor allem bei Spezialmörteln (modifizierten Mörteln) ist er ein unverzichtbarer und wichtiger Bestandteil. Die Bedeutung des wasserlöslichen Celluloseethers im Mörtel beruht im Wesentlichen auf drei Aspekten: seiner ausgezeichneten Wasserretention, seinem Einfluss auf die Konsistenz und Thixotropie des Mörtels sowie seiner Wechselwirkung mit dem Zement. Die Wasserretention 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 Wasserretention des Celluloseethers selbst resultiert aus seiner Löslichkeit und Dehydratisierung. Bekanntermaßen ist Cellulose trotz der zahlreichen hydratisierbaren OH-Gruppen in der 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 zugesetzte Menge, die Feinheit der Partikel 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.
Je feiner die Partikelgröße, desto besser die Wasserretention. Große Celluloseether-Partikel lösen sich nach dem Kontakt mit Wasser sofort an der Oberfläche auf und bilden ein Gel, das das Material umhüllt und das weitere Eindringen von Wassermolekülen verhindert. Manchmal lässt sich der Celluloseether selbst nach längerem Rühren nicht gleichmäßig dispergieren und auflösen, wodurch eine trübe, flockige Lösung oder Agglomerate entstehen. Dies beeinträchtigt die Wasserretention des Celluloseethers erheblich, weshalb die Löslichkeit ein wichtiges Auswahlkriterium ist. Auch die Feinheit ist ein wichtiger Leistungsindikator für Methylcelluloseether. Der für Trockenmörtel verwendete MC muss pulverförmig sein, einen geringen Wassergehalt aufweisen und 20–60 % der Partikelgröße sollten unter 63 µm liegen. Die Feinheit beeinflusst die Löslichkeit des Methylcelluloseethers. Grober MC ist in der Regel körnig und löst sich zwar leicht und ohne Agglomeration in Wasser auf, jedoch sehr langsam, weshalb er für Trockenmörtel ungeeignet ist. In Trockenmörtel ist Methylcellulose (MC) zwischen Bindemitteln wie Zuschlagstoffen, Feinfüllstoff und Zement dispergiert. Nur ein ausreichend feines Pulver verhindert die Agglomeration von MC beim Anmischen mit Wasser. Die Zugabe von Wasser zum Auflösen der Agglomerate gestaltet sich schwierig. Eine zu grobe MC-Pulverkörnung ist nicht nur verschwenderisch, sondern reduziert auch die lokale Festigkeit des Mörtels. Bei großflächiger Anwendung von Trockenmörtel 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 bei gleicher Zugabemenge eine höhere Feinheit des Materials die beste Wasserrückhaltewirkung.
Die Wasserretention von MC hängt auch von der Anwendungstemperatur ab, wobei die Wasserretention von Methylcelluloseether mit steigender Temperatur abnimmt. 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 oft die Aushärtung des Zements und die Erhärtung des Trockenmörtels. Die sinkende Wasserretention beeinträchtigt spürbar die Verarbeitbarkeit und Rissbeständigkeit, weshalb es unter diesen Bedingungen besonders wichtig ist, den Einfluss von Temperaturfaktoren zu minimieren. Obwohl Methylhydroxyethylcelluloseether-Zusätze derzeit als technologisch führend gelten, schwächt ihre Temperaturabhängigkeit die Eigenschaften des Trockenmörtels. Selbst bei erhöhter Menge an Methylhydroxyethylcellulose (Sommerrezeptur) erfüllen Verarbeitbarkeit und Rissbeständigkeit nicht die erforderlichen Anforderungen. Durch eine spezielle Behandlung von MC, wie z. B. die Erhöhung des Veretherungsgrades, kann der Wasserrückhalteeffekt bei höheren Temperaturen aufrechterhalten werden, sodass es unter rauen Bedingungen eine bessere Leistung erbringen kann.
Darüber hinaus hängt die Verdickung und Thixotropie von Celluloseether – die zweite Funktion von Celluloseether, die Verdickung – 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. Die Gelierungseigenschaften hängen vom Substitutionsgrad, der Lösungskonzentration und den Additiven ab. Bei Hydroxyalkyl-modifizierten Derivaten hängen die Gelierungseigenschaften auch vom Modifizierungsgrad der Hydroxyalkylgruppen ab. Für niedrigviskose MC und HPMC können 10–15%ige Lösungen, für mittelviskose MC und HPMC 5–10%ige Lösungen hergestellt werden, während für hochviskose MC und HPMC Lösungen mit höherer Viskosität erforderlich sind.HPMCEs kann nur eine 2-3%ige Lösung hergestellt werden, und die Viskositätsklassifizierung von Celluloseether erfolgt üblicherweise ebenfalls anhand von 1-2%igen Lösungen. Hochmolekularer Celluloseether besitzt eine hohe Verdickungswirkung. In Lösungen gleicher Konzentration weisen Polymere mit unterschiedlichen Molekulargewichten unterschiedliche Viskositäten auf. Die Zielviskosität kann nur durch Zugabe einer großen Menge niedermolekularen Celluloseethers erreicht werden. Dessen Viskosität ist weitgehend unabhängig von der Scherrate, und je höher die Viskosität ist, desto geringer ist die erforderliche Zugabemenge. Die Viskosität hängt von der Verdickungswirkung ab. 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 von Zementleim 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 Celluloseethern ist. Wässrige Lösungen von MC-Polymeren zeigen üblicherweise unterhalb ihrer Gelierungstemperatur pseudoplastisches und nicht-thixotropes Fließverhalten, jedoch newtonsche Fließeigenschaften bei niedrigen Scherraten. 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 zu stark thixotropem Fließverhalten führen. Celluloseether mit hoher Konzentration und niedriger Viskosität zeigen bereits unterhalb der Gelierungstemperatur Thixotropie. Diese Eigenschaft ist für die Nivellierung und den Ausgleich von Setzungen beim Bau von Mörtel von großem Vorteil. Hierbei ist zu beachten, dass mit steigender Viskosität des Celluloseethers dessen Wasserrückhaltung verbessert wird. Allerdings führt eine höhere Viskosität auch zu einem höheren relativen Molekulargewicht des Celluloseethers und einer entsprechenden Abnahme seiner Löslichkeit, was sich negativ auf die Mörtelkonzentration und die Bauleistung auswirkt. Höhere Viskosität bewirkt zwar eine stärkere Verdickung des Mörtels, jedoch ist dieser Effekt nicht vollständig proportional. Einige Celluloseether mit mittlerer und niedriger Viskosität zeigen eine bessere Verbesserung der Festigkeit von Nassmörtel. Mit zunehmender Viskosität verbessert sich die Wasserrückhaltung des Celluloseethers.
Verzögerung der Hydratation 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 wird durch die Adsorption von Celluloseethermolekülen an Hydratationsprodukten wie CSH und Ca(OH)₂ verursacht. Durch die Erhöhung der Viskosität der Porenlösung verringert der Celluloseether die Ionenmobilität in der Lösung und verzögert so die Hydratation. Je höher die Konzentration von Celluloseether im Mineralgelmaterial ist, desto ausgeprägter ist der verzögernde Effekt. Celluloseether verzögert nicht nur das Abbinden, sondern auch die Aushärtung des Zementmörtelsystems. Die verzögernde Wirkung von Celluloseether hängt nicht nur von seiner Konzentration im Mineralgelsystem, sondern auch von seiner chemischen Struktur ab. Je höher der Methylierungsgrad von HEMC ist, desto besser ist die verzögernde Wirkung von Celluloseether. Das Verhältnis von hydrophiler zu wasseranziehender Substitution verstärkt diese Wirkung. Die Viskosität von Celluloseether hat jedoch nur geringen Einfluss auf die Hydratationskinetik des Zements.
Mit steigendem Celluloseethergehalt verlängert sich die Abbindezeit des Mörtels deutlich. Zwischen der Anfangsbindezeit und dem Celluloseethergehalt besteht ein guter nichtlinearer Zusammenhang, zwischen der Endbindezeit und dem Celluloseethergehalt hingegen ein guter linearer. Die Verarbeitungszeit des Mörtels lässt sich durch die Menge des Celluloseethers steuern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es sich bei Fertigmörtel um Folgendes handelt:CelluloseetherCelluloseether spielt eine Rolle bei der Wasserrückhaltung, der Verdickung, der Verzögerung der Zementhydratation und der Verbesserung der Baueigenschaften. Eine gute Wasserrückhaltung ermöglicht eine vollständigere Zementhydratation, verbessert die Nassviskosität des Frischmörtels, erhöht dessen Haftfestigkeit und kann die Hydratationszeit regulieren. Die Zugabe von Celluloseether zu Spritzmörtel verbessert dessen Spritz- und Pumpeigenschaften sowie die Festigkeit. Daher findet Celluloseether breite Anwendung als wichtiger Zusatzstoff in Transportmörtel.
Veröffentlichungsdatum: 28. April 2024