เซลลูโลสอีเทอร์มีบทบาทอย่างไรในปูนผสมแห้ง?

เซลลูโลสอีเทอร์เป็นพอลิเมอร์สังเคราะห์ที่ทำจากเซลลูโลสธรรมชาติเป็นวัตถุดิบโดยการดัดแปลงทางเคมี เซลลูโลสอีเทอร์เป็นอนุพันธ์ของเซลลูโลสธรรมชาติ กระบวนการผลิตเซลลูโลสอีเทอร์และพอลิเมอร์สังเคราะห์นั้นแตกต่างกัน วัตถุดิบพื้นฐานที่สุดคือเซลลูโลส ซึ่งเป็นสารประกอบพอลิเมอร์ธรรมชาติ เนื่องจากโครงสร้างเฉพาะของเซลลูโลสธรรมชาติ เซลลูโลสเองจึงไม่สามารถทำปฏิกิริยากับสารทำให้เกิดอีเทอร์ได้ แต่หลังจากได้รับการบำบัดด้วยสารทำให้เกิดการพองตัว พันธะไฮโดรเจนที่แข็งแรงระหว่างโซ่โมเลกุลจะถูกทำลาย และหมู่ไฮดรอกซิลจะถูกปลดปล่อยออกมาในเซลลูโลสอัลคาไลน์ที่มีความสามารถในการทำปฏิกิริยา และได้เซลลูโลสอีเทอร์ผ่านปฏิกิริยาของสารทำให้เกิดอีเทอร์ โดยหมู่ —OH กลายเป็นหมู่ —OR

คุณสมบัติของเซลลูโลสอีเทอร์ขึ้นอยู่กับชนิด จำนวน และการกระจายตัวของหมู่แทนที่ การจำแนกประเภทของเซลลูโลสอีเทอร์ยังขึ้นอยู่กับชนิดของหมู่แทนที่ ระดับการเกิดอีเทอร์ ความสามารถในการละลาย และการใช้งานที่เกี่ยวข้อง ตามชนิดของหมู่แทนที่บนสายโมเลกุล สามารถแบ่งออกเป็นอีเทอร์เดี่ยวและอีเทอร์ผสม MC มักใช้เป็นอีเทอร์เดี่ยว ในขณะที่ HPmc เป็นอีเทอร์ผสม เมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (MC) คือเซลลูโลสธรรมชาติที่มีหน่วยกลูโคสและไฮดรอกซิลถูกแทนที่ด้วยเมทอกไซด์ โดยมีสูตรโครงสร้างเป็น [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (HPmc) คือผลิตภัณฑ์ที่มีหน่วยไฮดรอกซิลบางส่วนถูกแทนที่ด้วยเมทอกไซด์ และบางส่วนถูกแทนที่ด้วยไฮดรอกซีโพรพิล โดยมีสูตรโครงสร้างเป็น [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] X และไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (HEmc) ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและจำหน่ายในตลาด

สามารถแบ่งเซลลูโลสอีเทอร์ตามความสามารถในการละลายได้เป็นสองประเภท คือ ประเภทไอออนิกและประเภทที่ไม่ใช่ไอออนิก เซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิกที่ละลายน้ำได้นั้นส่วนใหญ่ประกอบด้วยอัลคิลอีเทอร์และไฮดรอกซีอัลคิลอีเทอร์สองกลุ่มหลัก เซลลูโลสอีเทอร์ประเภทไอออนิกส่วนใหญ่ใช้ในผงซักฟอกสังเคราะห์ สิ่งทอ การพิมพ์ อาหาร และการสำรวจปิโตรเลียม ส่วนเซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิก เช่น ไฮโดรคลอไรด์ ไฮโดรคลอไรด์ เฮเมอริลคลอไรด์ และอื่นๆ ส่วนใหญ่ใช้ในวัสดุก่อสร้าง สีเคลือบลาเท็กซ์ ยา เคมีภัณฑ์ในชีวิตประจำวัน และด้านอื่นๆ เช่น สารเพิ่มความหนืด สารกักเก็บน้ำ สารทำให้คงตัว สารกระจายตัว และสารสร้างฟิล์ม

การกักเก็บน้ำของเซลลูโลสอีเทอร์

ในการผลิตวัสดุก่อสร้าง โดยเฉพาะปูนผสมแห้ง เซลลูโลสอีเทอร์มีบทบาทที่ขาดไม่ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตปูนชนิดพิเศษ (ปูนดัดแปลง)

บทบาทสำคัญของเซลลูโลสอีเทอร์ที่ละลายน้ำได้ในปูนก่อมีอยู่ 3 ด้านหลัก ๆ ได้แก่ ด้านแรกคือความสามารถในการกักเก็บน้ำที่ดีเยี่ยม ด้านที่สองคืออิทธิพลต่อความสม่ำเสมอและความหนืดของปูนก่อ และด้านที่สามคือการมีปฏิสัมพันธ์กับซีเมนต์

การกักเก็บน้ำของเซลลูโลสอีเทอร์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการดูดความชื้น องค์ประกอบของปูน ความหนาของชั้นปูน ความต้องการน้ำของปูน และระยะเวลาการควบแน่นของวัสดุ การกักเก็บน้ำของเซลลูโลสอีเทอร์เกิดจากความสามารถในการละลายและการคายน้ำของเซลลูโลสอีเทอร์เอง เป็นที่ทราบกันดีว่าโซ่โมเลกุลของเซลลูโลส แม้จะมีหมู่ไฮดรอกซิล (OH) ที่มีน้ำอยู่มาก แต่ก็ไม่ละลายในน้ำเนื่องจากโครงสร้างผลึกสูง ความสามารถในการดูดซับน้ำของหมู่ไฮดรอกซิลเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะชดเชยพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลที่แข็งแรงและแรงแวนเดอร์วาลส์ เมื่อมีการนำหมู่แทนที่เข้าไปในโซ่โมเลกุล หมู่แทนที่ไม่เพียงแต่ทำลายพันธะไฮโดรเจนเท่านั้น แต่พันธะไฮโดรเจนระหว่างโซ่ก็ถูกทำลายด้วยการแทรกตัวของหมู่แทนที่ระหว่างโซ่ที่อยู่ติดกัน ยิ่งหมู่แทนที่มีขนาดใหญ่เท่าใด ระยะห่างระหว่างโมเลกุลก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ยิ่งการทำลายพันธะไฮโดรเจนมีมากเท่าใด การขยายตัวของโครงสร้างเซลลูโลสก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น สารละลายในเซลลูโลสอีเทอร์ก็จะยิ่งละลายน้ำได้ดีขึ้น และเกิดเป็นสารละลายที่มีความหนืดสูง เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น การไฮเดรชั่นของพอลิเมอร์จะลดลง และน้ำที่อยู่ระหว่างโซ่จะถูกขับออกไป เมื่อผลของการคายน้ำมีมากพอ โมเลกุลจะเริ่มรวมตัวกัน และเจลจะคลี่ตัวออกเป็นโครงข่ายสามมิติ ปัจจัยที่มีผลต่อการกักเก็บน้ำของปูนฉาบ ได้แก่ ความหนืดของเซลลูโลสอีเทอร์ ปริมาณการใช้ ความละเอียดของอนุภาค และอุณหภูมิการใช้งาน

ยิ่งความหนืดของเซลลูโลสอีเทอร์สูงเท่าไร ประสิทธิภาพในการกักเก็บน้ำก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ความหนืดของสารละลายพอลิเมอร์ก็เช่นกัน น้ำหนักโมเลกุล (ระดับการเกิดพอลิเมอร์) ของพอลิเมอร์ยังถูกกำหนดโดยความยาวและสัณฐานวิทยาของโครงสร้างโมเลกุลของโซ่ และการกระจายตัวของจำนวนหมู่แทนที่ส่งผลโดยตรงต่อช่วงความหนืด [eta] = Km alpha

ความหนืดภายในของสารละลายพอลิเมอร์

น้ำหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ M

ค่าคงที่ลักษณะเฉพาะของพอลิเมอร์ α

K คือค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดของสารละลาย

ความหนืดของสารละลายพอลิเมอร์ขึ้นอยู่กับน้ำหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ ความหนืดและความเข้มข้นของสารละลายเซลลูโลสอีเทอร์มีความเกี่ยวข้องกับการใช้งานต่างๆ ดังนั้น เซลลูโลสอีเทอร์แต่ละชนิดจึงมีคุณสมบัติความหนืดที่แตกต่างกันมากมาย การควบคุมความหนืดส่วนใหญ่ทำได้โดยการสลายตัวของเซลลูโลสอัลคาไลน์ กล่าวคือ การแตกหักของโซ่โมเลกุลของเซลลูโลสเพื่อให้ได้ความหนืดที่ต้องการ

สำหรับขนาดอนุภาค ยิ่งอนุภาคละเอียดมากเท่าไหร่ การกักเก็บน้ำก็ยิ่งดีขึ้นเท่านั้น อนุภาคขนาดใหญ่ของเซลลูโลสอีเทอร์เมื่อสัมผัสกับน้ำ ผิวหน้าจะละลายทันทีและก่อตัวเป็นเจลห่อหุ้มวัสดุ ป้องกันไม่ให้โมเลกุลของน้ำซึมเข้าไปต่อ บางครั้งแม้จะคนเป็นเวลานานก็ไม่สามารถกระจายตัวละลายได้อย่างสม่ำเสมอ ทำให้เกิดสารละลายที่เป็นตะกอนขุ่นหรือจับตัวเป็นก้อน ความสามารถในการละลายของเซลลูโลสอีเทอร์เป็นหนึ่งในปัจจัยที่ใช้ในการเลือกใช้เซลลูโลสอีเทอร์

การทำให้ข้นและคุณสมบัติทิกโซโทรปีของเซลลูโลสอีเทอร์

ผลประการที่สองของเซลลูโลสอีเทอร์ คือ การเพิ่มความหนืด ซึ่งขึ้นอยู่กับ: ระดับการเกิดพอลิเมอไรเซชันของเซลลูโลสอีเทอร์ ความเข้มข้นของสารละลาย อัตราการเฉือน อุณหภูมิ และสภาวะอื่นๆ คุณสมบัติการเกิดเจลของสารละลายเป็นเอกลักษณ์เฉพาะของอัลคิลเซลลูโลสและอนุพันธ์ที่ดัดแปลงแล้ว ลักษณะการเกิดเจลเกี่ยวข้องกับระดับการแทนที่ ความเข้มข้นของสารละลาย และสารเติมแต่ง สำหรับอนุพันธ์ที่ดัดแปลงด้วยไฮดรอกซิลอัลคิล คุณสมบัติของเจลยังเกี่ยวข้องกับระดับการดัดแปลงด้วยไฮดรอกซิลอัลคิลด้วย สำหรับความเข้มข้นของสารละลาย MC และ HPmc ที่มีความหนืดต่ำ สามารถเตรียมสารละลายที่มีความเข้มข้น 10%-15% ได้ MC และ HPmc ที่มีความหนืดปานกลาง สามารถเตรียมสารละลายที่มีความเข้มข้น 5%-10% ได้ และ MC และ HPmc ที่มีความหนืดสูง สามารถเตรียมสารละลายที่มีความเข้มข้น 2%-3% เท่านั้น และโดยทั่วไปความหนืดของเซลลูโลสอีเทอร์ก็มักจะแบ่งตามความเข้มข้นของสารละลาย 1%-2% ด้วย ประสิทธิภาพของสารเพิ่มความข้นเซลลูโลสอีเทอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงนั้น แม้ในสารละลายที่มีความเข้มข้นเท่ากัน โพลีเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่างกันก็จะมีความหนืดต่างกัน ความหนืดและน้ำหนักโมเลกุลสามารถแสดงได้ดังนี้ [η]=2.92×10-2 (DPn) 0.905 โดยที่ DPn คือระดับการเกิดพอลิเมอร์เฉลี่ย เซลลูโลสอีเทอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำจะต้องเติมในปริมาณมากเพื่อให้ได้ความหนืดที่ต้องการ ความหนืดของเซลลูโลสอีเทอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำจะขึ้นอยู่กับอัตราการเฉือนน้อย ส่วนเซลลูโลสอีเทอร์ที่มีความหนืดสูงนั้น เพื่อให้ได้ความหนืดที่ต้องการ ปริมาณที่ต้องเติมจะน้อยลง ความหนืดขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพในการเพิ่มความข้น ดังนั้น เพื่อให้ได้ความสม่ำเสมอที่ต้องการ จะต้องรับประกันปริมาณเซลลูโลสอีเทอร์ (ความเข้มข้นของสารละลาย) และความหนืดของสารละลายในระดับหนึ่ง อุณหภูมิการเกิดเจลของสารละลายจะลดลงเป็นเส้นตรงเมื่อความเข้มข้นของสารละลายเพิ่มขึ้น และการเกิดเจลจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้องหลังจากถึงความเข้มข้นระดับหนึ่ง HPmc มีความเข้มข้นที่เกิดเจลสูงที่อุณหภูมิห้อง

ความสม่ำเสมอสามารถปรับได้โดยการเลือกขนาดอนุภาคและเซลลูโลสอีเทอร์ที่มีระดับการดัดแปลงที่แตกต่างกัน การดัดแปลงที่ว่านี้คือการเติมหมู่ไฮดรอกซิลอัลคิลในระดับการแทนที่ที่แน่นอนลงบนโครงสร้างหลักของเซลลูโลสอีเทอร์ (MC) โดยการเปลี่ยนค่าการแทนที่สัมพัทธ์ของหมู่แทนที่ทั้งสองชนิด นั่นคือค่าการแทนที่สัมพัทธ์ DS และ MS ของหมู่เมทอกซีและหมู่ไฮดรอกซิล คุณสมบัติต่างๆ ของเซลลูโลสอีเทอร์สามารถกำหนดได้โดยการเปลี่ยนค่าการแทนที่สัมพัทธ์ของหมู่แทนที่ทั้งสองชนิด

ความสัมพันธ์ระหว่างความสม่ำเสมอและการปรับเปลี่ยน ในรูปที่ 5 การเติมเซลลูโลสอีเทอร์ส่งผลต่อปริมาณการใช้น้ำของปูนฉาบและเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนน้ำต่อสารยึดเกาะของน้ำและซีเมนต์ ซึ่งเป็นผลของการเพิ่มความหนืด ยิ่งปริมาณมากเท่าใด ปริมาณการใช้น้ำก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

เซลลูโลสอีเทอร์ที่ใช้ในวัสดุก่อสร้างชนิดผงต้องละลายได้อย่างรวดเร็วในน้ำเย็นและทำให้ระบบมีความหนืดที่เหมาะสม หากอัตราการเฉือนที่กำหนดแล้วยังคงจับตัวเป็นก้อนและเป็นคอลลอยด์ แสดงว่าผลิตภัณฑ์นั้นไม่ได้มาตรฐานหรือมีคุณภาพต่ำ

นอกจากนี้ ยังมีความสัมพันธ์เชิงเส้นที่ดีระหว่างความสม่ำเสมอของปูนซีเมนต์เหลวกับปริมาณของเซลลูโลสอีเทอร์ โดยเซลลูโลสอีเทอร์สามารถเพิ่มความหนืดของปูนได้อย่างมาก ยิ่งใช้ปริมาณมากเท่าไร ผลก็จะยิ่งชัดเจนมากขึ้นเท่านั้น

สารละลายเซลลูโลสอีเทอร์ในน้ำที่มีความหนืดสูงจะมีคุณสมบัติไทโซโทรปีสูง ซึ่งเป็นหนึ่งในลักษณะเฉพาะของเซลลูโลสอีเทอร์ สารละลายในน้ำของพอลิเมอร์ชนิด Mc มักจะมีลักษณะการไหลแบบซูโดพลาสติก ไม่ใช่ไทโซโทรปี ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิการเกิดเจล แต่จะมีคุณสมบัติการไหลแบบนิวตันที่อัตราการเฉือนต่ำ คุณสมบัติซูโดพลาสติกจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของน้ำหนักโมเลกุลหรือความเข้มข้นของเซลลูโลสอีเทอร์ และไม่ขึ้นอยู่กับชนิดและระดับของหมู่แทนที่ ดังนั้น เซลลูโลสอีเทอร์ที่มีความหนืดระดับเดียวกัน ไม่ว่าจะเป็น MC, HPmc หรือ HEmc จะแสดงคุณสมบัติทางรีโอโลยีเหมือนกันเสมอ ตราบใดที่ความเข้มข้นและอุณหภูมิคงที่ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น จะเกิดเจลโครงสร้างและเกิดการไหลแบบไทโซโทรปีสูง เซลลูโลสอีเทอร์ที่มีความเข้มข้นสูงและความหนืดต่ำจะแสดงคุณสมบัติไทโซโทรปีแม้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิการเกิดเจล คุณสมบัตินี้เป็นประโยชน์อย่างมากต่อการก่อสร้างปูนฉาบเพื่อปรับการไหลและคุณสมบัติการเกาะตัวของปูน จำเป็นต้องอธิบายตรงนี้ว่า ยิ่งความหนืดของเซลลูโลสอีเทอร์สูงเท่าไร การกักเก็บน้ำก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น แต่ยิ่งความหนืดสูงเท่าไร น้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์ของเซลลูโลสอีเทอร์ก็จะยิ่งสูงขึ้น ส่งผลให้ความสามารถในการละลายลดลง ซึ่งส่งผลเสียต่อความเข้มข้นของปูนและประสิทธิภาพในการก่อสร้าง ยิ่งความหนืดสูงเท่าไร ผลของการเพิ่มความหนาของปูนก็จะยิ่งชัดเจนมากขึ้นเท่านั้น แต่ความสัมพันธ์นี้ไม่ได้เป็นสัดส่วนโดยตรงเสมอไป เซลลูโลสอีเทอร์ที่ปรับปรุงแล้วที่มีความหนืดต่ำบางชนิดกลับมีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในการปรับปรุงความแข็งแรงของโครงสร้างของปูนเปียก และเมื่อความหนืดเพิ่มขึ้น การกักเก็บน้ำของเซลลูโลสอีเทอร์ก็จะดีขึ้นด้วย