عملکرد اتر سلولز و کاربرد آن در ملات

در ملات آماده، مقدار افزودن اتر سلولز بسیار کم است، اما می‌تواند عملکرد ملات مرطوب را به طور قابل توجهی بهبود بخشد و یک افزودنی اصلی است که بر عملکرد ساختمانی ملات تأثیر می‌گذارد. انتخاب معقول اتر سلولز از انواع مختلف، ویسکوزیته‌های مختلف، اندازه ذرات مختلف، درجات مختلف ویسکوزیته و مقادیر اضافه شده، تأثیر مثبتی بر بهبود عملکرد ملات پودر خشک خواهد داشت. در حال حاضر، بسیاری از ملات‌های بنایی و گچ‌کاری عملکرد ضعیفی در حفظ آب دارند و دوغاب آب پس از چند دقیقه ماندن از هم جدا می‌شود. حفظ آب یک عملکرد مهم متیل سلولز اتر است و همچنین عملکردی است که بسیاری از تولیدکنندگان ملات خشک داخلی، به ویژه آنهایی که در مناطق جنوبی با دمای بالا هستند، به آن توجه می‌کنند. عواملی که بر اثر حفظ آب ملات خشک تأثیر می‌گذارند شامل مقدار MC اضافه شده، ویسکوزیته MC، ظرافت ذرات و دمای محیط استفاده است.

۱. مفهوم
اتر سلولز یک پلیمر مصنوعی است که از طریق اصلاح شیمیایی از سلولز طبیعی ساخته می‌شود. اتر سلولز مشتقی از سلولز طبیعی است. تولید اتر سلولز با پلیمرهای مصنوعی متفاوت است. اساسی‌ترین ماده آن سلولز است که یک ترکیب پلیمری طبیعی است. به دلیل خاص بودن ساختار سلولز طبیعی، خود سلولز توانایی واکنش با عوامل اتری شدن را ندارد. با این حال، پس از تصفیه با عامل تورم، پیوندهای هیدروژنی قوی بین زنجیره‌های مولکولی و زنجیره‌ها از بین می‌رود و آزادسازی فعال گروه هیدروکسیل به یک سلولز قلیایی واکنش‌پذیر تبدیل می‌شود. اتر سلولز را به دست آورید.

خواص اترهای سلولزی به نوع، تعداد و توزیع جایگزین‌ها بستگی دارد. طبقه‌بندی اترهای سلولزی همچنین بر اساس نوع جایگزین‌ها، درجه اتری شدن، حلالیت و خواص کاربردی مرتبط است. با توجه به نوع جایگزین‌ها در زنجیره مولکولی، می‌توان آن را به مونواتر و اتر مخلوط تقسیم کرد. متیل سلولز اتر که معمولاً استفاده می‌کنیم مونواتر و HPMC اتر مخلوط است. متیل سلولز اتر MC محصول پس از جایگزینی گروه هیدروکسیل روی واحد گلوکز سلولز طبیعی با متوکسی است. این محصولی است که با جایگزینی بخشی از گروه هیدروکسیل روی واحد با یک گروه متوکسی و بخش دیگر با یک گروه هیدروکسی پروپیل به دست می‌آید. فرمول ساختاری آن [C6H7O2(OH)3-mn(OCH3)m[OCH2CH(OH)CH3]n]x هیدروکسی اتیل متیل سلولز اتر HEMC است، اینها انواع اصلی هستند که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند و در بازار فروخته می‌شوند.

از نظر حلالیت، می‌توان آن را به یونی و غیر یونی تقسیم کرد. اترهای سلولزی غیر یونی محلول در آب عمدتاً از دو سری اترهای آلکیل و اترهای هیدروکسی آلکیل تشکیل شده‌اند. CMC یونی عمدتاً در شوینده‌های مصنوعی، چاپ و رنگرزی پارچه، اکتشاف مواد غذایی و روغن استفاده می‌شود. MC غیر یونی، HPMC، HEMC و غیره عمدتاً در مصالح ساختمانی، پوشش‌های لاتکس، دارو، مواد شیمیایی روزانه و غیره استفاده می‌شوند. به عنوان غلیظ‌کننده، عامل نگهدارنده آب، تثبیت‌کننده، پراکنده‌کننده و عامل تشکیل فیلم استفاده می‌شوند.

دوم، احتباس آب سلولز اتر
احتباس آب سلولز اتر: در تولید مصالح ساختمانی، به ویژه ملات پودر خشک، سلولز اتر نقش غیرقابل جایگزینی ایفا می‌کند، به خصوص در تولید ملات ویژه (ملات اصلاح شده)، یک جزء ضروری و مهم است.

نقش مهم اتر سلولز محلول در آب در ملات عمدتاً دارای سه جنبه است، یکی ظرفیت عالی نگهداری آب، دیگری تأثیر بر قوام و تیکسوتروپی ملات و سوم تعامل با سیمان. اثر نگهداری آب اتر سلولز به جذب آب لایه پایه، ترکیب ملات، ضخامت لایه ملات، نیاز آبی ملات و زمان گیرش ماده گیرش بستگی دارد. نگهداری آب اتر سلولز به خودی خود از حلالیت و دهیدراتاسیون خود اتر سلولز ناشی می‌شود. همانطور که همه ما می‌دانیم، اگرچه زنجیره مولکولی سلولز حاوی تعداد زیادی گروه OH با قابلیت هیدراتاسیون بالا است، اما در آب محلول نیست، زیرا ساختار سلولز از درجه بلورینگی بالایی برخوردار است.

توانایی هیدراتاسیون گروه‌های هیدروکسیل به تنهایی برای پوشش پیوندهای هیدروژنی قوی و نیروهای واندروالسی بین مولکول‌ها کافی نیست. بنابراین، فقط متورم می‌شود اما در آب حل نمی‌شود. هنگامی که یک جایگزین وارد زنجیره مولکولی می‌شود، نه تنها جایگزین زنجیره هیدروژن را از بین می‌برد، بلکه پیوند هیدروژنی بین زنجیره‌ای نیز به دلیل گوه‌ای شدن جایگزین بین زنجیره‌های مجاور از بین می‌رود. هرچه جایگزین بزرگتر باشد، فاصله بین مولکول‌ها بیشتر است. هرچه فاصله بیشتر باشد، اثر تخریب پیوندهای هیدروژنی بیشتر است، اتر سلولز پس از انبساط شبکه سلولز و ورود محلول، محلول در آب می‌شود و یک محلول با ویسکوزیته بالا تشکیل می‌دهد. هنگامی که دما افزایش می‌یابد، هیدراتاسیون پلیمر ضعیف می‌شود و آب بین زنجیره‌ها به بیرون رانده می‌شود. هنگامی که اثر دهیدراتاسیون کافی باشد، مولکول‌ها شروع به تجمع می‌کنند و یک ساختار شبکه سه‌بعدی ژل و تا شده تشکیل می‌دهند.

عوامل مؤثر بر حفظ آب ملات شامل ویسکوزیته اتر سلولز، مقدار افزودنی، نرمی ذرات و دمای استفاده است:

هرچه ویسکوزیته اتر سلولز بیشتر باشد، عملکرد حفظ آب بهتر است. ویسکوزیته یک پارامتر مهم در عملکرد MC است. در حال حاضر، تولیدکنندگان مختلف MC از روش‌ها و ابزارهای متفاوتی برای اندازه‌گیری ویسکوزیته MC استفاده می‌کنند. روش‌های اصلی عبارتند از Haake Rotovisko، Hoppler، Ubbelohde و Brookfield. برای یک محصول واحد، نتایج ویسکوزیته اندازه‌گیری شده با روش‌های مختلف بسیار متفاوت است و برخی حتی تفاوت‌های دو برابری دارند. بنابراین، هنگام مقایسه ویسکوزیته، باید بین روش‌های آزمایش یکسان، از جمله دما، روتور و غیره، انجام شود.

به طور کلی، هرچه ویسکوزیته بالاتر باشد، اثر احتباس آب بهتر است. با این حال، هرچه ویسکوزیته بالاتر و وزن مولکولی MC بیشتر باشد، کاهش متناظر در حلالیت آن تأثیر منفی بر مقاومت و عملکرد ساختمانی ملات خواهد داشت. هرچه ویسکوزیته بالاتر باشد، اثر غلیظ شدن روی ملات آشکارتر است، اما این اثر مستقیماً متناسب نیست. هرچه ویسکوزیته بالاتر باشد، ملات مرطوب چسبناک‌تر خواهد بود، یعنی در طول ساخت و ساز، به صورت چسبندگی به خراشنده و چسبندگی زیاد به زیرلایه آشکار می‌شود. اما برای افزایش مقاومت ساختاری خود ملات مرطوب مفید نیست. در طول ساخت و ساز، عملکرد ضد شره آشکار نیست. برعکس، برخی از اترهای متیل سلولز اصلاح شده با ویسکوزیته متوسط ​​و پایین، عملکرد بسیار خوبی در بهبود مقاومت ساختاری ملات مرطوب دارند.

هرچه مقدار اتر سلولز اضافه شده به ملات بیشتر باشد، عملکرد حفظ آب بهتر است و هرچه ویسکوزیته بالاتر باشد، عملکرد حفظ آب بهتر است.

در مورد اندازه ذرات، هرچه ذرات ریزتر باشند، احتباس آب بهتر است. پس از تماس ذرات بزرگ سلولز اتر با آب، سطح بلافاصله حل می‌شود و ژلی تشکیل می‌دهد که مواد را می‌پوشاند تا از نفوذ مولکول‌های آب جلوگیری کند. گاهی اوقات حتی پس از هم زدن طولانی مدت، نمی‌توان آن را به طور یکنواخت پراکنده و حل کرد و یک محلول ابری یا لخته‌ای تشکیل می‌دهد. این امر تا حد زیادی بر احتباس آب سلولز اتر تأثیر می‌گذارد و حلالیت یکی از عوامل انتخاب سلولز اتر است.

نرمی نیز یک شاخص عملکرد مهم متیل سلولز اتر است. MC مورد استفاده برای ملات پودر خشک باید پودری با محتوای آب کم باشد و نرمی نیز نیاز دارد که 20٪ تا 60٪ اندازه ذرات کمتر از 63 میکرومتر باشد. نرمی بر حلالیت متیل سلولز اتر تأثیر می‌گذارد. MC درشت معمولاً دانه‌ای است و به راحتی در آب و بدون تجمع حل می‌شود، اما سرعت انحلال بسیار کند است، بنابراین برای استفاده در ملات پودر خشک مناسب نیست. در ملات پودر خشک، MC در بین مواد سیمانی مانند سنگدانه، پرکننده ریز و سیمان پراکنده می‌شود و فقط پودر به اندازه کافی ریز می‌تواند از تجمع متیل سلولز اتر هنگام مخلوط شدن با آب جلوگیری کند. هنگامی که MC با آب برای حل کردن تجمعات اضافه می‌شود، پخش و حل شدن آن بسیار دشوار است.

نرمی زیاد ملات پودری نه تنها اتلاف است، بلکه مقاومت موضعی ملات را نیز کاهش می‌دهد. هنگامی که چنین ملات پودری خشک در یک منطقه وسیع اعمال می‌شود، سرعت گیرش ملات پودری خشک موضعی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و به دلیل زمان‌های مختلف گیرش، ترک‌هایی ظاهر می‌شوند. برای ملات اسپری شده با ساختار مکانیکی، به دلیل زمان اختلاط کوتاه‌تر، نیاز به نرمی بیشتر است.

میزان نرمی متیل سلولز (MC) نیز تأثیر مشخصی بر میزان احتباس آب آن دارد. به طور کلی، برای اترهای متیل سلولز با ویسکوزیته یکسان اما نرمی متفاوت، تحت مقدار افزودنی یکسان، هرچه نرم‌تر باشند، اثر احتباس آب بهتری دارند.

میزان حفظ آب در ملات پودری خشک (MC) نیز به دمای مورد استفاده مربوط می‌شود و میزان حفظ آب در ملات متیل سلولز اتر با افزایش دما کاهش می‌یابد. با این حال، در کاربردهای واقعی مصالح، ملات پودری خشک اغلب در بسیاری از محیط‌ها، مانند بتونه‌کاری دیوار خارجی زیر نور خورشید در تابستان، روی سطوح داغ در دماهای بالا (بالاتر از ۴۰ درجه) اعمال می‌شود که اغلب باعث تسریع عمل‌آوری سیمان و سخت شدن ملات پودری خشک می‌شود. کاهش میزان حفظ آب منجر به این احساس آشکار می‌شود که هم کارایی و هم مقاومت در برابر ترک تحت تأثیر قرار می‌گیرند و کاهش تأثیر عوامل دما در این شرایط بسیار مهم است.

اگرچه افزودنی‌های متیل هیدروکسی اتیل سلولز اتر در حال حاضر در خط مقدم توسعه فناوری در نظر گرفته می‌شوند، اما وابستگی آنها به دما همچنان منجر به تضعیف عملکرد ملات پودر خشک می‌شود. اگرچه مقدار متیل هیدروکسی اتیل سلولز افزایش یافته است (فرمول تابستانی)، اما کارایی و مقاومت در برابر ترک هنوز نمی‌تواند نیازهای استفاده را برآورده کند. از طریق برخی عملیات ویژه روی MC، مانند افزایش درجه اتری شدن و غیره، می‌توان اثر احتباس آب را در دمای بالاتر حفظ کرد تا بتواند عملکرد بهتری را در شرایط سخت ارائه دهد.

۳. غلیظ‌سازی و تیکسوتروپی سلولز اتر
غلیظ‌سازی و تیکسوتروپی سلولز اتر: دومین عملکرد سلولز اتر - اثر غلیظ‌سازی به موارد زیر بستگی دارد: درجه پلیمریزاسیون سلولز اتر، غلظت محلول، سرعت برش، دما و سایر شرایط. خاصیت ژل شدن محلول منحصر به آلکیل سلولز و مشتقات اصلاح‌شده آن است. خواص ژل شدن به درجه جایگزینی، غلظت محلول و افزودنی‌ها مربوط می‌شود. برای مشتقات اصلاح‌شده با هیدروکسی آلکیل، خواص ژل نیز به درجه اصلاح هیدروکسی آلکیل مربوط می‌شود. برای MC و HPMC با ویسکوزیته پایین، می‌توان محلول 10٪-15٪ تهیه کرد، MC و HPMC با ویسکوزیته متوسط ​​می‌توانند محلول 5٪-10٪ تهیه کنند، در حالی که MC و HPMC با ویسکوزیته بالا فقط می‌توانند محلول 2٪-3٪ تهیه کنند و معمولاً طبقه‌بندی ویسکوزیته سلولز اتر نیز با محلول 1٪-2٪ درجه‌بندی می‌شود.

اتر سلولز با وزن مولکولی بالا راندمان غلیظ‌کنندگی بالایی دارد. در محلول با غلظت یکسان، پلیمرهای با وزن مولکولی مختلف ویسکوزیته‌های متفاوتی دارند. درجه بالا. ویسکوزیته هدف فقط با افزودن مقدار زیادی اتر سلولز با وزن مولکولی پایین قابل دستیابی است. ویسکوزیته آن وابستگی کمی به سرعت برشی دارد و ویسکوزیته بالا به ویسکوزیته هدف می‌رسد و مقدار افزودنی مورد نیاز کم است و ویسکوزیته به راندمان غلیظ‌کنندگی بستگی دارد. بنابراین، برای دستیابی به یک قوام خاص، باید مقدار مشخصی از اتر سلولز (غلظت محلول) و ویسکوزیته محلول تضمین شود. دمای ژل محلول نیز با افزایش غلظت محلول به صورت خطی کاهش می‌یابد و پس از رسیدن به غلظت خاصی در دمای اتاق ژل می‌شود. غلظت ژل شدن HPMC در دمای اتاق نسبتاً زیاد است.

همچنین می‌توان با انتخاب اندازه ذرات و انتخاب اترهای سلولزی با درجات مختلف اصلاح، غلظت را تنظیم کرد. اصطلاحاً اصلاح، وارد کردن درجه خاصی از جایگزینی گروه‌های هیدروکسی آلکیل بر روی ساختار اسکلت MC است. با تغییر مقادیر جایگزینی نسبی دو جایگزین، یعنی مقادیر جایگزینی نسبی DS و ms گروه‌های متوکسی و هیدروکسی آلکیل که اغلب به آنها اشاره می‌کنیم. با تغییر مقادیر جایگزینی نسبی دو جایگزین، می‌توان به الزامات عملکردی مختلفی برای اتر سلولز دست یافت.

رابطه بین غلظت و اصلاح: افزودن اتر سلولز بر میزان مصرف آب ملات تأثیر می‌گذارد، تغییر نسبت آب به چسب آب و سیمان، اثر غلیظ‌کنندگی دارد، هرچه مقدار مصرف بیشتر باشد، مصرف آب نیز بیشتر می‌شود.

اترهای سلولزی مورد استفاده در مصالح ساختمانی پودری باید به سرعت در آب سرد حل شوند و قوام مناسبی برای سیستم فراهم کنند. اگر سرعت برشی مشخصی به آنها داده شود، باز هم به صورت لخته و بلوک کلوئیدی در می‌آیند که محصولی نامرغوب یا بی‌کیفیت است.
همچنین یک رابطه خطی خوب بین غلظت خمیر سیمان و دوز اتر سلولز وجود دارد. اتر سلولز می‌تواند ویسکوزیته ملات را تا حد زیادی افزایش دهد. هر چه دوز بیشتر باشد، اثر آن آشکارتر است. محلول آبی اتر سلولز با ویسکوزیته بالا، تیکسوتروپی بالایی دارد که از ویژگی‌های اصلی اتر سلولز نیز می‌باشد. محلول‌های آبی پلیمرهای MC معمولاً سیالیت شبه‌پلاستیک و غیر تیکسوتروپیک در زیر دمای ژل خود دارند، اما در سرعت‌های برشی پایین، خواص جریان نیوتنی دارند. شبه‌پلاستیکی با وزن مولکولی یا غلظت اتر سلولز، صرف نظر از نوع جانشین و درجه جانشینی، افزایش می‌یابد. بنابراین، اترهای سلولز با درجه ویسکوزیته یکسان، صرف نظر از MC، HPMC، HEMC، همیشه خواص رئولوژیکی یکسانی را نشان می‌دهند، مادامی که غلظت و دما ثابت نگه داشته شوند.

ژل‌های ساختاری با افزایش دما تشکیل می‌شوند و جریان‌های تیکسوتروپیک بالایی رخ می‌دهند. اترهای سلولزی با غلظت بالا و ویسکوزیته پایین، حتی در دمای پایین‌تر از ژل، تیکسوتروپی نشان می‌دهند. این خاصیت برای تنظیم تراز و افت در ساخت ملات ساختمانی بسیار مفید است. در اینجا لازم به توضیح است که هرچه ویسکوزیته اتر سلولز بالاتر باشد، احتباس آب بهتر است، اما هرچه ویسکوزیته بالاتر باشد، وزن مولکولی نسبی اتر سلولز بیشتر است و کاهش متناظر در حلالیت آن رخ می‌دهد که تأثیر منفی بر غلظت ملات و عملکرد ساخت و ساز دارد. هرچه ویسکوزیته بالاتر باشد، اثر غلیظ شدن روی ملات آشکارتر است، اما کاملاً متناسب نیست. مقداری ویسکوزیته متوسط ​​و پایین دارد، اما اتر سلولزی اصلاح شده عملکرد بهتری در بهبود مقاومت ساختاری ملات مرطوب دارد. با افزایش ویسکوزیته، احتباس آب اتر سلولزی بهبود می‌یابد. 4. کند شدن اتر سلولزی

کند کردن روند هیدراتاسیون سیمان: سومین عملکرد سلولز اتر، به تأخیر انداختن فرآیند هیدراتاسیون سیمان است. سلولز اتر به ملات خواص مفید مختلفی می‌بخشد و همچنین گرمای اولیه هیدراتاسیون سیمان را کاهش داده و فرآیند دینامیک هیدراتاسیون سیمان را به تأخیر می‌اندازد. این امر برای استفاده از ملات در مناطق سردسیر نامطلوب است. این اثر کندکننده ناشی از جذب مولکول‌های سلولز اتر روی محصولات هیدراتاسیون مانند CSH و ca(OH)2 است. به دلیل افزایش ویسکوزیته محلول منافذ، سلولز اتر تحرک یون‌ها را در محلول کاهش می‌دهد و در نتیجه فرآیند هیدراتاسیون را به تأخیر می‌اندازد.