В готовых строительных смесях количество добавляемого целлюлозного эфира очень мало, но он может значительно улучшить характеристики влажного раствора и является основной добавкой, влияющей на строительные свойства раствора. Разумный выбор целлюлозных эфиров различных видов, различной вязкости, размера частиц, степени вязкости и количества добавки окажет положительное влияние на улучшение характеристик сухого порошкового раствора. В настоящее время многие строительные и штукатурные растворы обладают плохой водоудерживающей способностью, и водная суспензия расслаивается через несколько минут после отстаивания. Водоудерживающая способность является важным свойством метилцеллюлозного эфира, и это свойство также привлекает внимание многих отечественных производителей сухих строительных смесей, особенно в южных регионах с высокими температурами. Факторы, влияющие на водоудерживающую способность сухого строительного раствора, включают количество добавляемого метилцеллюлозного эфира, вязкость метилцеллюлозного эфира, тонкость помола частиц и температуру окружающей среды.
1. Концепция
Эфир целлюлозы — это синтетический полимер, получаемый из природной целлюлозы путем химической модификации. Эфир целлюлозы является производным природной целлюлозы. Производство эфира целлюлозы отличается от производства синтетических полимеров. Его основным материалом является целлюлоза, природное полимерное соединение. Из-за особенностей структуры природной целлюлозы сама целлюлоза не способна реагировать с этерифицирующими агентами. Однако после обработки набухающим агентом прочные водородные связи между молекулярными цепями разрушаются, и происходит активное высвобождение гидроксильных групп, в результате чего образуется реакционноспособная щелочная целлюлоза. Получают эфир целлюлозы.
Свойства эфиров целлюлозы зависят от типа, количества и распределения заместителей. Классификация эфиров целлюлозы также основана на типе заместителей, степени этерификации, растворимости и соответствующих свойствах применения. В зависимости от типа заместителей в молекулярной цепи их можно разделить на моноэфиры и смешанные эфиры. Обычно используемый нами метилцеллюлозный эфир (МЦ) является моноэфиром, а гидроксиметилцеллюлозный эфир (ГМЦ) — смешанным эфиром. Метилцеллюлозный эфир (МЦ) — это продукт, получаемый после замещения метоксигруппы в глюкозном звене природной целлюлозы. Это продукт, полученный путем замещения части гидроксильной группы в звене метоксигруппой, а другой части — гидроксипропильной группой. Структурная формула: [C6H7O2(OH)3-mn(OCH3)m[OCH2CH(OH)CH3]n]x. Гидроксиэтилметилцеллюлозный эфир (ГЭМЦ) — это основные разновидности, широко используемые и продаваемые на рынке.
По растворимости их можно разделить на ионные и неионогенные. Водорастворимые неионогенные эфиры целлюлозы в основном состоят из двух рядов алкиловых эфиров и гидроксиалкиловых эфиров. Ионная КМЦ в основном используется в синтетических моющих средствах, текстильной печати и крашении, пищевой промышленности и нефтедобыче. Неионогенные МК, ГПМЦ, ГЭМК и др. в основном используются в строительных материалах, латексных покрытиях, медицине, бытовой химии и т. д. Применяются в качестве загустителей, водоудерживающих агентов, стабилизаторов, диспергаторов и пленкообразующих агентов.
Во-вторых, способность эфира целлюлозы удерживать воду.
Влагоудерживающий эффект эфира целлюлозы: В производстве строительных материалов, особенно сухих порошковых растворов, эфир целлюлозы играет незаменимую роль, особенно при производстве специальных растворов (модифицированных растворов), являясь незаменимым и важным компонентом.
Важная роль водорастворимого эфира целлюлозы в строительном растворе обусловлена тремя основными аспектами: превосходной водоудерживающей способностью, влиянием на консистенцию и тиксотропию раствора, а также взаимодействием с цементом. Водоудерживающий эффект эфира целлюлозы зависит от водопоглощения базового слоя, состава раствора, толщины слоя раствора, водопотребности раствора и времени схватывания материала. Водоудерживающая способность самого эфира целлюлозы обусловлена его растворимостью и дегидратацией. Как известно, несмотря на то, что молекулярная цепь целлюлозы содержит большое количество легко гидратируемых ОН-групп, она нерастворима в воде, поскольку структура целлюлозы обладает высокой степенью кристалличности.
Способность к гидратации одних только гидроксильных групп недостаточна для покрытия сильных водородных связей и сил Ван дер Ваальса между молекулами. Поэтому полимер только набухает, но не растворяется в воде. При введении заместителя в молекулярную цепь происходит не только разрушение водородных связей, но и разрыв межцепочечных водородных связей из-за заклинивания заместителя между соседними цепями. Чем больше заместитель, тем больше расстояние между молекулами. Чем больше расстояние, тем сильнее эффект разрушения водородных связей, и целлюлозный эфир становится водорастворимым после расширения целлюлозной решетки и проникновения в раствор, образуя высоковязкий раствор. При повышении температуры гидратация полимера ослабевает, и вода между цепями вытесняется. Когда эффект дегидратации становится достаточным, молекулы начинают агрегировать, образуя трехмерную сетевую структуру геля и сворачиваясь.
К факторам, влияющим на водоудерживающую способность строительного раствора, относятся вязкость эфира целлюлозы, количество добавки, тонкость помола частиц и температура эксплуатации:
Чем выше вязкость эфира целлюлозы, тем лучше его влагоудерживающие свойства. Вязкость является важным параметром характеристик микрокристаллической целлюлозы (МКЦ). В настоящее время различные производители МКЦ используют разные методы и приборы для измерения вязкости МКЦ. Основные методы — это Haake Rotovisko, Hoppler, Ubbelohde и Brookfield. Для одного и того же продукта результаты измерения вязкости разными методами могут сильно отличаться, а в некоторых случаях разница может быть вдвое больше. Поэтому при сравнении показателей вязкости необходимо использовать одинаковые методы измерения, включая температуру, ротор и т.д.
В целом, чем выше вязкость, тем лучше водоудерживающий эффект. Однако, чем выше вязкость и выше молекулярная масса метилцеллюлозы, тем меньше её растворимость, что негативно сказывается на прочности и эксплуатационных характеристиках раствора. Чем выше вязкость, тем загущающий эффект раствора, но это не прямо пропорционально. Чем выше вязкость, тем более вязким будет влажный раствор, то есть во время строительства это проявляется в прилипании к шпателю и высокой адгезии к основанию. Но это не способствует повышению прочности самого влажного раствора. Во время строительства противоскользящие свойства не так очевидны. Напротив, некоторые модифицированные эфиры метилцеллюлозы средней и низкой вязкости обладают превосходными свойствами по повышению прочности влажного раствора.
Чем большее количество эфира целлюлозы, добавленного в раствор, тем лучше влагоудерживающие свойства, и чем выше вязкость, тем лучше влагоудерживающие свойства.
Что касается размера частиц, чем мельче частицы, тем лучше влагоудержание. После контакта крупных частиц эфира целлюлозы с водой их поверхность немедленно растворяется, образуя гель, который обволакивает материал, предотвращая дальнейшее проникновение молекул воды. Иногда даже после длительного перемешивания происходит неравномерное диспергирование и растворение, в результате чего образуется мутный хлопьевидный раствор или происходит агломерация. Это существенно влияет на влагоудержание эфира целлюлозы, и растворимость является одним из факторов при выборе эфира целлюлозы.
Тонкость помола также является важным показателем эффективности метилцеллюлозного эфира. Для сухого порошкового раствора метилцеллюлоза должна быть порошкообразной, с низким содержанием воды, а тонкость помола должна составлять от 20% до 60% частиц размером менее 63 мкм. Тонкость помола влияет на растворимость метилцеллюлозного эфира. Крупнозернистый метилцеллюлозный эфир обычно имеет гранулированную структуру и легко растворяется в воде без агломерации, но скорость растворения очень низкая, поэтому он не подходит для использования в сухом порошковом растворе. В сухом порошковом растворе метилцеллюлозный эфир диспергирован среди цементирующих материалов, таких как заполнитель, мелкий наполнитель и цемент, и только достаточно мелкий порошок может предотвратить агломерацию метилцеллюлозного эфира при смешивании с водой. При добавлении воды для растворения агломератов диспергирование и растворение метилцеллюлозного эфира становится очень сложным.
Крупная помол механизированного порошкового раствора не только приводит к его расточительству, но и снижает локальную прочность раствора. При нанесении такого сухого порошкового раствора на большую площадь скорость его твердения значительно снижается, и из-за разного времени твердения появляются трещины. Для напыляемого раствора, используемого в механизированном строительстве, требования к тонкости помола выше из-за более короткого времени смешивания.
Тонкость помола метилцеллюлозы также оказывает определенное влияние на ее водоудерживающую способность. В целом, для эфиров метилцеллюлозы с одинаковой вязкостью, но разной тонкостью помола, при одинаковом количестве добавки, чем тоньше помол, тем лучше эффект водоудержания.
Водоудерживающая способность метилцеллюлозы также зависит от используемой температуры, и водоудерживающая способность метилцеллюлозного эфира снижается с повышением температуры. Однако в реальных условиях применения сухой порошковый раствор часто наносится на горячие основания при высоких температурах (выше 40 градусов) в различных средах, например, при наружной штукатурке стен под солнцем летом, что часто ускоряет твердение цемента и затвердевание сухого порошкового раствора. Снижение водоудерживающей способности приводит к очевидному ухудшению как удобоукладываемости, так и трещиностойкости, и в таких условиях особенно важно уменьшить влияние температурных факторов.
Хотя добавки на основе метилгидроксиэтилцеллюлозы в настоящее время считаются передовыми в технологическом развитии, их зависимость от температуры все еще приводит к снижению эксплуатационных характеристик сухого порошкового строительного раствора. Даже при увеличении количества метилгидроксиэтилцеллюлозы (летняя формула) удобоукладываемость и трещиностойкость все еще не соответствуют требованиям эксплуатации. Благодаря специальной обработке метилгидроксиэтилцеллюлозы, например, увеличению степени этерификации и т.д., эффект удержания влаги может сохраняться при более высоких температурах, что обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики в жестких условиях.
3. Загущение и тиксотропия эфира целлюлозы
Загущение и тиксотропия эфира целлюлозы: Вторая функция эфира целлюлозы — загущающий эффект — зависит от степени полимеризации эфира целлюлозы, концентрации раствора, скорости сдвига, температуры и других условий. Желирующие свойства раствора уникальны для алкилцеллюлозы и ее модифицированных производных. Свойства гелеобразования связаны со степенью замещения, концентрацией раствора и добавками. Для гидроксиалкилмодифицированных производных свойства геля также связаны со степенью модификации гидроксиалкилом. Для низковязкого МК и ГПМЦ можно приготовить 10–15% раствор, для средневязкого МК и ГПМЦ — 5–10%, а для высоковязкого МК и ГПМЦ — только 2–3%, и обычно классификация вязкости эфира целлюлозы также осуществляется с помощью 1–2% раствора.
Высокомолекулярный эфир целлюлозы обладает высокой загущающей способностью. В растворе одинаковой концентрации полимеры с разной молекулярной массой имеют разную вязкость. Целевая вязкость может быть достигнута только путем добавления большого количества низкомолекулярного эфира целлюлозы. Его вязкость мало зависит от скорости сдвига, и высокая вязкость достигает целевой вязкости, при этом необходимое количество добавки невелико, а вязкость зависит от эффективности загущения. Поэтому для достижения определенной консистенции необходимо гарантировать определенное количество эфира целлюлозы (концентрацию раствора) и вязкость раствора. Температура гелеобразования раствора также линейно снижается с увеличением концентрации раствора, и гелеобразование происходит при комнатной температуре после достижения определенной концентрации. Концентрация гелеобразования HPMC относительно высока при комнатной температуре.
Консистенцию также можно регулировать, выбирая размер частиц и целлюлозные эфиры с различной степенью модификации. Так называемая модификация заключается во введении определенной степени замещения гидроксиалкильных групп в скелетную структуру целлюлозного эфира. Путем изменения относительных значений замещения двух заместителей, то есть относительных значений замещения DS и ms метокси- и гидроксиалкильных групп, как мы часто говорим, можно получить различные характеристики целлюлозного эфира, изменяя относительные значения замещения двух заместителей.
Взаимосвязь между консистенцией и модификацией: добавление эфира целлюлозы влияет на водопотребление раствора, изменение водосвязующего соотношения воды и цемента оказывает загущающий эффект, чем выше дозировка, тем больше водопотребление.
Эфиры целлюлозы, используемые в порошкообразных строительных материалах, должны быстро растворяться в холодной воде и обеспечивать подходящую консистенцию для системы. При определенной скорости сдвига они все равно образуют хлопья и коллоидные блоки, что свидетельствует о низком качестве продукта.
Существует также хорошая линейная зависимость между консистенцией цементной пасты и дозировкой эфира целлюлозы. Эфир целлюлозы может значительно повысить вязкость раствора. Чем больше дозировка, тем более выражен эффект. Высоковязкий водный раствор эфира целлюлозы обладает высокой тиксотропией, что также является важной характеристикой эфира целлюлозы. Водные растворы полимеров МС обычно обладают псевдопластичной и нетиксотропной текучестью ниже температуры гелеобразования, но ньютоновскими свойствами течения при низких скоростях сдвига. Псевдопластичность увеличивается с молекулярной массой или концентрацией эфира целлюлозы, независимо от типа заместителя и степени замещения. Поэтому эфиры целлюлозы одинаковой вязкости, будь то МС, ГПМЦ или ГЭМС, всегда будут демонстрировать одинаковые реологические свойства при условии поддержания постоянной концентрации и температуры.
При повышении температуры образуются структурные гели, и возникают сильно тиксотропные течения. Высококонцентрированные и низковязкие эфиры целлюлозы проявляют тиксотропию даже ниже температуры гелеобразования. Это свойство очень полезно для регулирования выравнивания и провисания при строительстве с использованием строительного раствора. Следует пояснить, что чем выше вязкость эфира целлюлозы, тем лучше водоудержание, но чем выше вязкость, тем выше относительная молекулярная масса эфира целлюлозы и, соответственно, тем меньше его растворимость, что негативно сказывается на концентрации раствора и строительных характеристиках. Чем выше вязкость, тем более выражен эффект загущения раствора, но это не полностью пропорционально. Некоторые эфиры целлюлозы средней и низкой вязкости, однако, обладают лучшими характеристиками в повышении прочности влажного раствора. С увеличением вязкости водоудержание эфира целлюлозы улучшается. 4. Замедление целлюлозного эфира
Замедление процесса гидратации цемента эфиром целлюлозы: Третья функция эфира целлюлозы заключается в замедлении процесса гидратации цемента. Эфир целлюлозы наделяет раствор различными полезными свойствами, а также снижает теплоту ранней гидратации цемента и замедляет динамический процесс гидратации цемента. Это неблагоприятно для использования раствора в холодных регионах. Этот замедляющий эффект обусловлен адсорбцией молекул эфира целлюлозы на продуктах гидратации, таких как CSH и Ca(OH)2. Из-за увеличения вязкости порового раствора эфир целлюлозы снижает подвижность ионов в растворе, тем самым замедляя процесс гидратации.
Дата публикации: 04.02.2023