การประยุกต์ใช้เซลลูโลสอีเทอร์ในวัสดุซีเมนต์

1 บทนำ
ประเทศจีนได้ส่งเสริมการใช้ปูนผสมสำเร็จรูปมานานกว่า 20 ปี โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา หน่วยงานภาครัฐที่เกี่ยวข้องได้ให้ความสำคัญกับการพัฒนาปูนผสมสำเร็จรูปและออกนโยบายสนับสนุน ปัจจุบัน มีมากกว่า 10 จังหวัดและเทศบาลในประเทศที่ใช้ปูนผสมสำเร็จรูปแล้ว มากกว่า 60% มีวิสาหกิจปูนผสมสำเร็จรูปขนาดใหญ่กว่า 800 แห่ง โดยมีกำลังการผลิตตามแผนต่อปี 274 ล้านตัน ในปี 2021 ผลผลิตปูนผสมสำเร็จรูปทั่วไปต่อปีอยู่ที่ 62.02 ล้านตัน

ในระหว่างกระบวนการก่อสร้าง ปูนมักจะสูญเสียน้ำมากเกินไปและไม่มีเวลาและน้ำเพียงพอที่จะเกิดปฏิกิริยาไฮเดรชั่น ส่งผลให้ความแข็งแรงไม่เพียงพอและเกิดรอยแตกของเนื้อปูนซีเมนต์หลังจากแข็งตัว เซลลูโลสอีเทอร์เป็นสารผสมโพลีเมอร์ทั่วไปในปูนผสมแห้ง มีคุณสมบัติในการกักเก็บน้ำ เพิ่มความหนืด ชะลอการแข็งตัว และดักจับอากาศ ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของปูนได้อย่างมาก

เพื่อให้ปูนฉาบมีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดด้านการขนส่งและแก้ไขปัญหาการแตกร้าวและแรงยึดเกาะต่ำ การเติมเซลลูโลสอีเทอร์ลงในปูนฉาบจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง บทความนี้จะแนะนำคุณลักษณะของเซลลูโลสอีเทอร์และอิทธิพลที่มีต่อประสิทธิภาพของวัสดุที่ใช้ซีเมนต์เป็นส่วนประกอบโดยสังเขป โดยหวังว่าจะช่วยแก้ปัญหาทางเทคนิคที่เกี่ยวข้องกับปูนฉาบสำเร็จรูปได้

2. บทนำเกี่ยวกับเซลลูโลสอีเทอร์
เซลลูโลสอีเทอร์ (Cellulose Ether) ผลิตจากเซลลูโลสโดยผ่านปฏิกิริยาอีเทอร์ริฟิเคชันของสารอีเทอร์ริฟิเคชันหนึ่งชนิดหรือมากกว่า และการบดแห้ง

2.1 การจำแนกประเภทของเซลลูโลสอีเทอร์
ตามโครงสร้างทางเคมีของหมู่แทนที่อีเทอร์ เซลลูโลสอีเทอร์สามารถแบ่งออกเป็นอีเทอร์ประจุลบ อีเทอร์ประจุบวก และอีเทอร์ไม่มีประจุ อีเทอร์ประจุลบของเซลลูโลสส่วนใหญ่ได้แก่ คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (CMC) ส่วนอีเทอร์ไม่มีประจุลบของเซลลูโลสส่วนใหญ่ได้แก่ เมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (MC) ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (HPMC) และไฮดรอกซีเอทิลไฟเบอร์อีเทอร์ (HC) เป็นต้น อีเทอร์ไม่มีประจุลบแบ่งออกเป็นอีเทอร์ที่ละลายน้ำได้และอีเทอร์ที่ละลายในน้ำมัน อีเทอร์ไม่มีประจุลบที่ละลายน้ำได้ส่วนใหญ่ใช้ในผลิตภัณฑ์ปูนฉาบ เมื่อมีไอออนแคลเซียมอยู่ อีเทอร์ประจุลบของเซลลูโลสจะไม่เสถียร ดังนั้นจึงไม่ค่อยได้ใช้ในผลิตภัณฑ์ปูนฉาบแห้งที่ใช้ซีเมนต์ ปูนขาว ฯลฯ เป็นวัสดุประสาน อีเทอร์ไม่มีประจุลบที่ละลายน้ำได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมวัสดุก่อสร้างเนื่องจากความเสถียรในการแขวนลอยและคุณสมบัติในการกักเก็บน้ำ
ผลิตภัณฑ์อีเทอร์ของเซลลูโลส ได้แก่ เมทิลเซลลูโลส, ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส, ไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลส, ไซยาโนเอทิลเซลลูโลส, คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส, เอทิลเซลลูโลส, เบนซิลเซลลูโลส, คาร์บอกซีเมทิลไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส, ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส, เบนซิลไซยาโนเอทิลเซลลูโลส และฟีนิลเซลลูโลส ขึ้นอยู่กับสารที่เลือกใช้ในกระบวนการอีเทอร์ริฟิเคชัน

เซลลูโลสอีเทอร์ที่ใช้ในปูนฉาบโดยทั่วไป ได้แก่ เมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (MC), ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (HPMC), ไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (HEMC) และไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (HEMC) โดยในจำนวนนี้ HPMC และ HEMC เป็นชนิดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด

2.2 คุณสมบัติทางเคมีของเซลลูโลสอีเทอร์
เซลลูโลสอีเทอร์แต่ละชนิดมีโครงสร้างพื้นฐานเป็นเซลลูโลส-แอนไฮโดรกลูโคส ในกระบวนการผลิตเซลลูโลสอีเทอร์ เส้นใยเซลลูโลสจะถูกให้ความร้อนในสารละลายด่างก่อน จากนั้นจึงทำปฏิกิริยากับสารที่ทำให้เกิดอีเทอร์ ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่เป็นเส้นใยจะถูกทำให้บริสุทธิ์และบดให้เป็นผงละเอียดสม่ำเสมอ

ในการผลิต MC นั้น จะใช้เมทิลคลอไรด์เพียงอย่างเดียวเป็นสารทำให้เกิดอีเทอร์ ส่วนในการผลิต HPMC นั้น นอกจากเมทิลคลอไรด์แล้ว ยังใช้โพรพิลีนออกไซด์เพื่อสร้างหมู่ไฮดรอกซีโพรพิลด้วย อีเทอร์ของเซลลูโลสชนิดต่างๆ มีอัตราการแทนที่ด้วยหมู่เมทิลและไฮดรอกซีโพรพิลที่แตกต่างกัน ซึ่งส่งผลต่อความเข้ากันได้กับสารอินทรีย์และอุณหภูมิการเกิดเจลของสารละลายอีเทอร์เซลลูโลส

2.3 ลักษณะการละลายของเซลลูโลสอีเทอร์

คุณสมบัติการละลายของเซลลูโลสอีเทอร์มีอิทธิพลอย่างมากต่อความสามารถในการใช้งานของปูนซีเมนต์ เซลลูโลสอีเทอร์สามารถใช้เพื่อปรับปรุงความเหนียวแน่นและการกักเก็บน้ำของปูนซีเมนต์ได้ แต่ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการที่เซลลูโลสอีเทอร์ละลายในน้ำได้อย่างสมบูรณ์ ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อการละลายของเซลลูโลสอีเทอร์ ได้แก่ เวลาในการละลาย ความเร็วในการกวน และความละเอียดของผง

2.4 บทบาทของการทรุดตัวในปูนซีเมนต์

สาร Destroy เป็นสารเติมแต่งที่สำคัญในส่วนผสมซีเมนต์เหลว และมีผลในด้านต่างๆ ดังต่อไปนี้
(1) ปรับปรุงความสามารถในการทำงานของปูนฉาบและเพิ่มความหนืดของปูนฉาบ
การใช้เปลวไฟสามารถป้องกันไม่ให้ปูนแยกตัวและทำให้ได้เนื้อปูนที่สม่ำเสมอและเป็นเนื้อเดียวกัน ตัวอย่างเช่น บูธที่ใช้ HEMC, HPMC เป็นต้น สะดวกสำหรับปูนฉาบและปูนปั้นบางๆ อัตราการเฉือน อุณหภูมิ ความเข้มข้นของการยุบตัว และความเข้มข้นของเกลือที่ละลาย
(2) มีผลในการดักอากาศ
เนื่องจากสิ่งเจือปน การนำกลุ่มอนุภาคเข้าไปจะลดพลังงานพื้นผิวของอนุภาค และทำให้สามารถนำอนุภาคที่มีความเสถียร สม่ำเสมอ และละเอียดเข้าไปในปูนได้ง่าย โดยผ่านกระบวนการกวนบนพื้นผิว “ประสิทธิภาพของลูกบอล” ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการก่อสร้างของปูน ลดความชื้นของปูน และลดการนำความร้อนของปูน การทดสอบแสดงให้เห็นว่าเมื่อปริมาณการผสม HEMC และ HPMC อยู่ที่ 0.5% ปริมาณก๊าซในปูนจะมีมากที่สุด ประมาณ 55% และเมื่อปริมาณการผสมมากกว่า 0.5% ปริมาณก๊าซในปูนจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามปริมาณที่เพิ่มขึ้น
(3) คงไว้เช่นเดิม

ขี้ผึ้งสามารถละลาย หล่อลื่น และผสมในปูนฉาบ ทำให้การฉาบปูนและผงปูนฉาบผิวเรียบขึ้นได้ ไม่จำเป็นต้องทำให้เปียกก่อน หลังจากก่อสร้างเสร็จแล้ว วัสดุประสานซีเมนต์ยังสามารถปล่อยให้เกิดปฏิกิริยาไฮเดรชั่นอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานานตามแนวขอบ เพื่อเพิ่มการยึดเกาะระหว่างปูนฉาบกับพื้นผิว

ผลกระทบของการปรับเปลี่ยนโครงสร้างของเซลลูโลสอีเทอร์ต่อวัสดุซีเมนต์สดส่วนใหญ่ ได้แก่ การเพิ่มความหนืด การกักเก็บน้ำ การดักอากาศ และการหน่วงการแข็งตัว เนื่องจากการใช้เซลลูโลสอีเทอร์ในวัสดุซีเมนต์อย่างแพร่หลาย ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลลูโลสอีเทอร์กับสารละลายซีเมนต์จึงค่อยๆ กลายเป็นประเด็นวิจัยที่ได้รับความสนใจมากขึ้น