In kant-en-klare mortel is de hoeveelheid cellulose-ether die wordt toegevoegd erg laag, maar het kan de prestaties van natte mortel aanzienlijk verbeteren en is een belangrijk additief dat de verwerkingsprestaties van mortel beïnvloedt. Een verstandige selectie van cellulose-ethers van verschillende soorten, met verschillende viscositeiten, deeltjesgroottes, viscositeitsgraden en toegevoegde hoeveelheden, zal een positieve invloed hebben op de verbetering van de prestaties van droge mortel. Momenteel hebben veel metsel- en pleistermortels een slechte waterretentie en scheidt de waterbrij zich na enkele minuten af. Waterretentie is een belangrijke eigenschap van methylcellulose-ether en een eigenschap waar veel binnenlandse fabrikanten van droge mortel, met name in zuidelijke regio's met hoge temperaturen, aandacht aan besteden. Factoren die de waterretentie van droge mortel beïnvloeden, zijn onder andere de hoeveelheid toegevoegde methylcellulose-ether, de viscositeit van de cellulose-ether, de fijnheid van de deeltjes en de temperatuur van de gebruiksomgeving.
1. Concept
Cellulose-ether is een synthetisch polymeer dat door chemische modificatie van natuurlijke cellulose wordt gemaakt. Het is een derivaat van natuurlijke cellulose. De productie van cellulose-ether verschilt van die van synthetische polymeren. Het meest gebruikte materiaal is cellulose, een natuurlijke polymeerverbinding. Vanwege de specifieke structuur van natuurlijke cellulose reageert cellulose zelf niet met etherificatiemiddelen. Na behandeling met een zwelmiddel worden echter de sterke waterstofbruggen tussen de moleculaire ketens verbroken, waardoor de hydroxylgroep vrijkomt en reactieve alkalicellulose ontstaat. Zo wordt cellulose-ether verkregen.
De eigenschappen van cellulose-ethers zijn afhankelijk van het type, het aantal en de verdeling van de substituenten. De classificatie van cellulose-ethers is ook gebaseerd op het type substituenten, de mate van verethering, de oplosbaarheid en de bijbehorende toepassingseigenschappen. Afhankelijk van het type substituenten op de moleculaire keten kan onderscheid worden gemaakt tussen mono-ethers en gemengde ethers. De MC die we gewoonlijk gebruiken is een mono-ether, terwijl HPMC een gemengde ether is. Methylcellulose-ether (MC) is het product dat ontstaat wanneer de hydroxylgroep op de glucose-eenheid van natuurlijke cellulose wordt vervangen door een methoxygroep. Het is een product dat wordt verkregen door een deel van de hydroxylgroep op de eenheid te vervangen door een methoxygroep en een ander deel door een hydroxypropylgroep. De structuurformule is [C6H7O2(OH)3-mn(OCH3)m[OCH2CH(OH)CH3]n]x. Hydroxyethylmethylcellulose-ether (HEMC) zijn de belangrijkste varianten die veelvuldig worden gebruikt en verkocht.
Wat betreft oplosbaarheid kan er onderscheid worden gemaakt tussen ionische en niet-ionische cellulose-ethers. Wateroplosbare niet-ionische cellulose-ethers bestaan hoofdzakelijk uit twee series: alkylethers en hydroxyalkylethers. Ionische CMC wordt voornamelijk gebruikt in synthetische detergenten, textieldruk en -verven, voedingsmiddelen en olie-exploratie. Niet-ionische MC, HPMC, HEMC, enz. worden voornamelijk gebruikt in bouwmaterialen, latexcoatings, geneesmiddelen, huishoudelijke chemicaliën, enz. Ze worden toegepast als verdikkingsmiddel, waterbindend middel, stabilisator, dispergeermiddel en filmvormend middel.
Ten tweede, het waterbindend vermogen van cellulose-ether.
Waterretentie van cellulose-ether: Bij de productie van bouwmaterialen, met name droge poedermortel, speelt cellulose-ether een onvervangbare rol. Vooral bij de productie van speciale mortel (gemodificeerde mortel) is het een onmisbaar en belangrijk bestanddeel.
De belangrijke rol van wateroplosbare cellulose-ether in mortel is hoofdzakelijk van belang op drie vlakken: ten eerste het uitstekende waterretentievermogen, ten tweede de invloed op de consistentie en thixotropie van de mortel, en ten derde de interactie met cement. Het waterretentie-effect van cellulose-ether hangt af van de waterabsorptie van de basislaag, de samenstelling van de mortel, de dikte van de mortellaag, de waterbehoefte van de mortel en de uithardingstijd van het bindmiddel. De waterretentie van cellulose-ether zelf is te danken aan de oplosbaarheid en dehydratatie van cellulose-ether. Zoals bekend bevat de cellulosemolecuulketen weliswaar een groot aantal zeer hydrateerbare OH-groepen, maar is deze niet oplosbaar in water, omdat de cellulosestructuur een hoge mate van kristalliniteit heeft.
Het hydratatievermogen van hydroxylgroepen alleen is niet voldoende om de sterke waterstofbruggen en van der Waals-krachten tussen moleculen te compenseren. Daarom zwelt het polymeer wel op, maar lost het niet op in water. Wanneer een substituent in de moleculaire keten wordt geïntroduceerd, vernietigt de substituent niet alleen de waterstofbruggen, maar ook de waterstofbruggen tussen de ketens doordat de substituent zich tussen aangrenzende ketens wringt. Hoe groter de substituent, hoe groter de afstand tussen de moleculen. Hoe groter de afstand, hoe groter het effect van de vernietiging van waterstofbruggen. De cellulose-ether wordt wateroplosbaar nadat het cellulose-rooster uitzet en de oplossing erin doordringt, waardoor een oplossing met een hoge viscositeit ontstaat. Bij een stijgende temperatuur verzwakt de hydratatie van het polymeer en wordt het water tussen de ketens verdreven. Wanneer het dehydratatie-effect voldoende is, beginnen de moleculen te aggregeren, waardoor een driedimensionale netwerkstructuur ontstaat die zich uitvouwt.
Factoren die de waterretentie van mortel beïnvloeden zijn onder andere de viscositeit van cellulose-ether, de toegevoegde hoeveelheid, de fijnheid van de deeltjes en de gebruikstemperatuur.
Hoe hoger de viscositeit van cellulose-ether, hoe beter het waterretentievermogen. Viscositeit is een belangrijke parameter voor de prestaties van MC. Momenteel gebruiken verschillende MC-fabrikanten verschillende methoden en instrumenten om de viscositeit van MC te meten. De belangrijkste methoden zijn Haake Rotovisko, Hoppler, Ubbelohde en Brookfield. Voor hetzelfde product kunnen de viscositeitsresultaten gemeten met verschillende methoden sterk uiteenlopen, soms zelfs met een verdubbeling. Daarom is het bij het vergelijken van viscositeit noodzakelijk om dezelfde testmethoden te gebruiken, inclusief temperatuur, rotor, enz.
Over het algemeen geldt: hoe hoger de viscositeit, hoe beter het waterretentie-effect. Echter, hoe hoger de viscositeit en hoe hoger het molecuulgewicht van MC, hoe kleiner de oplosbaarheid, wat een negatieve invloed heeft op de sterkte en de verwerkingseigenschappen van de mortel. Hoe hoger de viscositeit, hoe duidelijker het verdikkende effect op de mortel, maar dit is niet rechtstreeks evenredig. Hoe hoger de viscositeit, hoe stroperiger de natte mortel zal zijn, wat zich tijdens het aanbrengen uit in het kleven aan de schraper en een sterke hechting aan de ondergrond. Dit draagt echter niet bij aan de structurele sterkte van de natte mortel zelf. Tijdens het aanbrengen is de anti-doorzakwerking niet显著. Daarentegen hebben sommige gemodificeerde methylcellulose-ethers met een gemiddelde of lage viscositeit uitstekende prestaties op het gebied van het verbeteren van de structurele sterkte van natte mortel.
Hoe groter de hoeveelheid cellulose-ether die aan de mortel wordt toegevoegd, hoe beter het waterretentievermogen, en hoe hoger de viscositeit, hoe beter het waterretentievermogen.
Wat de deeltjesgrootte betreft, geldt: hoe fijner de deeltjes, hoe beter het waterretentievermogen. Nadat de grote deeltjes cellulose-ether in contact komen met water, lost het oppervlak onmiddellijk op en vormt een gel die het materiaal omhult en voorkomt dat watermoleculen verder binnendringen. Soms kan het zelfs na langdurig roeren niet gelijkmatig worden verspreid en opgelost, waardoor een troebele, vlokkerige oplossing of agglomeratie ontstaat. Dit heeft een grote invloed op het waterretentievermogen van cellulose-ether, en de oplosbaarheid is een van de factoren bij de keuze van cellulose-ether.
Fijnheid is ook een belangrijke prestatie-indicator voor methylcellulose-ether. De MC die gebruikt wordt voor droge poedermortel moet poedervormig zijn, een laag watergehalte hebben en een fijnheid hebben waarbij 20% tot 60% van de deeltjes kleiner mag zijn dan 63 µm. De fijnheid beïnvloedt de oplosbaarheid van methylcellulose-ether. Grove MC is meestal korrelig en lost gemakkelijk op in water zonder te agglomereren, maar de oplossnelheid is erg laag, waardoor het niet geschikt is voor gebruik in droge poedermortel. In droge poedermortel is MC verspreid tussen cementachtige materialen zoals aggregaat, fijne vulstoffen en cement. Alleen voldoende fijn poeder kan agglomeratie van methylcellulose-ether voorkomen bij het mengen met water. Wanneer MC met water wordt toegevoegd om de agglomeraten op te lossen, is het zeer moeilijk om het te dispergeren en op te lossen.
Een grove maling van MC is niet alleen verspilling, maar vermindert ook de plaatselijke sterkte van de mortel. Wanneer een dergelijke droge poedermortel op een groot oppervlak wordt aangebracht, zal de uithardingssnelheid van de mortel lokaal aanzienlijk afnemen en zullen er scheuren ontstaan als gevolg van verschillende uithardingstijden. Voor spuitmortel die machinaal wordt aangebracht, zijn de eisen aan de fijnheid hoger vanwege de kortere mengtijd.
De fijnheid van MC heeft ook een zekere invloed op het waterbindend vermogen. Over het algemeen geldt dat voor methylcellulose-ethers met dezelfde viscositeit maar verschillende fijnheid, bij dezelfde toevoegingshoeveelheid, hoe fijner de ether, hoe beter het waterbindend vermogen.
Het waterretentievermogen van MC is ook afhankelijk van de gebruikte temperatuur, en het waterretentievermogen van methylcellulose-ether neemt af naarmate de temperatuur stijgt. In de praktijk wordt droge poedermortel echter vaak aangebracht op hete ondergronden bij hoge temperaturen (hoger dan 40 graden) in diverse omgevingen, zoals het plamuren van buitenmuren in de zomerzon. Dit versnelt vaak het uitharden van cement en de verharding van de droge poedermortel. De afname van het waterretentievermogen leidt tot een merkbare afname van zowel de verwerkbaarheid als de scheurweerstand. Het is daarom cruciaal om de invloed van temperatuurfactoren onder deze omstandigheden te minimaliseren.
Hoewel additieven van methylhydroxyethylcellulose-ether momenteel tot de meest geavanceerde technologische ontwikkelingen behoren, leidt hun temperatuurafhankelijkheid nog steeds tot een verzwakking van de prestaties van droge poedermortel. Zelfs met een verhoogde hoeveelheid methylhydroxyethylcellulose (zomerformule) voldoen de verwerkbaarheid en scheurweerstand nog steeds niet aan de eisen. Door speciale behandelingen van MC, zoals het verhogen van de etherificatiegraad, kan het waterbindend vermogen bij hogere temperaturen behouden blijven, waardoor betere prestaties onder zware omstandigheden mogelijk zijn.
3. Verdikking en thixotropie van cellulose-ether
Verdikking en thixotropie van cellulose-ether: De tweede functie van cellulose-ether – het verdikkende effect – hangt af van: de polymerisatiegraad van de cellulose-ether, de concentratie van de oplossing, de schuifsnelheid, de temperatuur en andere omstandigheden. De geleereigenschappen van de oplossing zijn uniek voor alkylcellulose en de gemodificeerde derivaten daarvan. De geleereigenschappen zijn gerelateerd aan de substitutiegraad, de concentratie van de oplossing en de toevoeging van additieven. Voor hydroxyalkyl-gemodificeerde derivaten zijn de geleereigenschappen ook gerelateerd aan de modificatiegraad van de hydroxyalkylgroep. Voor MC en HPMC met een lage viscositeit kan een oplossing van 10-15% worden bereid, voor MC en HPMC met een gemiddelde viscositeit een oplossing van 5-10%, terwijl voor MC en HPMC met een hoge viscositeit slechts een oplossing van 2-3% mogelijk is. De viscositeitsclassificatie van cellulose-ether wordt doorgaans ook ingedeeld op basis van 1-2% oplossingen.
Hoogmoleculaire cellulose-ether heeft een hoog verdikkingsvermogen. In een oplossing met dezelfde concentratie hebben polymeren met verschillende molecuulgewichten een verschillende viscositeit. De gewenste viscositeit kan alleen worden bereikt door een grote hoeveelheid laagmoleculaire cellulose-ether toe te voegen. De viscositeit is nauwelijks afhankelijk van de schuifsnelheid, en de hoge viscositeit bereikt de gewenste viscositeit met een kleine toevoegingshoeveelheid. De viscositeit is bovendien afhankelijk van het verdikkingsvermogen. Om een bepaalde consistentie te bereiken, is het daarom essentieel om een bepaalde hoeveelheid cellulose-ether (concentratie van de oplossing) en de viscositeit van de oplossing te garanderen. De geleringstemperatuur van de oplossing neemt lineair af met de toenemende concentratie en geleert bij kamertemperatuur na het bereiken van een bepaalde concentratie. De geleringsconcentratie van HPMC is relatief hoog bij kamertemperatuur.
De consistentie kan ook worden aangepast door de deeltjesgrootte te kiezen en cellulose-ethers met verschillende modificatiegraden te selecteren. De zogenaamde modificatie houdt in dat er een bepaalde mate van substitutie van hydroxyalkylgroepen in de skeletstructuur van MC wordt geïntroduceerd. Door de relatieve substitutiewaarden van de twee substituenten te veranderen, dat wil zeggen de DS- en ms-relatieve substitutiewaarden van de methoxy- en hydroxyalkylgroepen, zoals we die vaak noemen, kunnen verschillende prestatie-eisen aan cellulose-ether worden gesteld.
De relatie tussen consistentie en modificatie: de toevoeging van cellulose-ether beïnvloedt het waterverbruik van mortel; het veranderen van de water-bindmiddelverhouding van water en cement heeft een verdikkend effect; hoe hoger de dosering, hoe groter het waterverbruik.
Cellulose-ethers die in poedervormige bouwmaterialen worden gebruikt, moeten snel oplossen in koud water en een geschikte consistentie voor het systeem opleveren. Bij een bepaalde schuifsnelheid blijven ze vlokken en colloïdaal klonteren, wat een inferieur of kwalitatief slecht product is.
Er bestaat ook een goede lineaire relatie tussen de consistentie van cementpasta en de dosering van cellulose-ether. Cellulose-ether kan de viscositeit van mortel aanzienlijk verhogen. Hoe hoger de dosering, hoe duidelijker het effect. Een waterige oplossing van cellulose-ether met een hoge viscositeit heeft een hoge thixotropie, wat tevens een belangrijk kenmerk is van cellulose-ether. Waterige oplossingen van MC-polymeren vertonen doorgaans pseudoplastische en niet-thixotrope vloeibaarheid onder hun geltemperatuur, maar Newtoniaanse vloei-eigenschappen bij lage schuifsnelheden. De pseudoplasticiteit neemt toe met het molecuulgewicht of de concentratie van cellulose-ether, ongeacht het type substituent en de substitutiegraad. Daarom zullen cellulose-ethers van dezelfde viscositeitsklasse, of het nu MC, HPMC of HEMC betreft, altijd dezelfde reologische eigenschappen vertonen zolang de concentratie en temperatuur constant worden gehouden.
Structurele gels worden gevormd wanneer de temperatuur wordt verhoogd, en er treden sterk thixotrope stromingen op. Cellulose-ethers met een hoge concentratie en lage viscositeit vertonen thixotropie, zelfs onder de geltemperatuur. Deze eigenschap is zeer gunstig voor het aanpassen van de egalisatie en het voorkomen van doorzakking bij de aanleg van bouwmortel. Het is belangrijk om hier te vermelden dat hoe hoger de viscositeit van de cellulose-ether, hoe beter het waterretentievermogen, maar hoe hoger de viscositeit, hoe hoger het relatieve molecuulgewicht van de cellulose-ether en de bijbehorende afname van de oplosbaarheid, wat een negatieve invloed heeft op de mortelconcentratie en de bouwprestaties. Hoe hoger de viscositeit, hoe duidelijker het verdikkende effect op de mortel, maar dit is niet volledig evenredig. Sommige gemodificeerde cellulose-ethers met een gemiddelde en lage viscositeit presteren beter in het verbeteren van de structurele sterkte van natte mortel. Met de toename van de viscositeit verbetert het waterretentievermogen van de cellulose-ether. 4. Vertraging van cellulose-ether
Vertraging van cellulose-ether: De derde functie van cellulose-ether is het vertragen van het hydratatieproces van cement. Cellulose-ether geeft mortel diverse gunstige eigenschappen en vermindert tevens de vroege hydratatiewarmte van cement en vertraagt het dynamische hydratatieproces. Dit is ongunstig voor het gebruik van mortel in koude gebieden. Dit vertragende effect wordt veroorzaakt door de adsorptie van cellulose-ethermoleculen aan hydratatieproducten zoals CSH en Ca(OH)2. Door de toename van de viscositeit van de poriënoplossing vermindert de cellulose-ether de mobiliteit van ionen in de oplossing, waardoor het hydratatieproces wordt vertraagd.
Geplaatst op: 4 februari 2023