เซลลูโลสอีเธอร์มีบทบาทอย่างไรในปูนผสมแห้ง?

เซลลูโลสอีเธอร์เป็นพอลิเมอร์สังเคราะห์ที่ทำจากเซลลูโลสธรรมชาติเป็นวัตถุดิบโดยการดัดแปลงทางเคมี เซลลูโลสอีเธอร์เป็นอนุพันธ์ของเซลลูโลสธรรมชาติ การผลิตเซลลูโลสอีเธอร์และพอลิเมอร์สังเคราะห์แตกต่างกัน วัสดุพื้นฐานที่สุดคือเซลลูโลส ซึ่งเป็นสารประกอบพอลิเมอร์ธรรมชาติ เนื่องจากโครงสร้างเซลลูโลสธรรมชาติมีลักษณะเฉพาะ เซลลูโลสเองจึงไม่สามารถทำปฏิกิริยากับสารอีเธอร์ได้ แต่หลังจากการบำบัดด้วยสารทำให้บวม พันธะไฮโดรเจนที่แข็งแกร่งระหว่างโซ่โมเลกุลและโซ่จะถูกทำลาย และกิจกรรมของกลุ่มไฮดรอกซิลจะถูกปลดปล่อยออกมาเป็นเซลลูโลสอัลคาไลที่มีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยา และเซลลูโลสอีเธอร์จะได้รับจากปฏิกิริยาของสารอีเธอร์ — กลุ่ม OH — กลุ่ม OR

คุณสมบัติของเซลลูโลสอีเธอร์ขึ้นอยู่กับชนิด จำนวน และการกระจายตัวของสารทดแทน การจำแนกประเภทของเซลลูโลสอีเธอร์ยังขึ้นอยู่กับชนิดของสารทดแทน ระดับของอีเธอร์ ความสามารถในการละลาย และการประยุกต์ใช้ที่เกี่ยวข้อง โดยสามารถแบ่งตามประเภทของสารทดแทนในห่วงโซ่โมเลกุลได้เป็นอีเธอร์เดี่ยวและอีเธอร์ผสม โดยทั่วไป MC ใช้เป็นอีเธอร์เดี่ยว ในขณะที่ HPmc ใช้เป็นอีเธอร์ผสม เมทิลเซลลูโลสอีเธอร์ MC เป็นหน่วยกลูโคสเซลลูโลสธรรมชาติที่ไฮดรอกซิลคือเมทอกไซด์ที่ถูกแทนที่ด้วยสูตรโครงสร้างผลิตภัณฑ์ [CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] X, ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสอีเธอร์ HPmc เป็นหน่วยที่ไฮดรอกซิลเป็นส่วนหนึ่งของเมทอกไซด์ที่ถูกแทนที่ อีกส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์ที่ถูกแทนที่โดยไฮดรอกซีโพรพิล สูตรโครงสร้างคือ [C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] X และไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลสอีเธอร์ HEmc ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายและจำหน่ายในท้องตลาด

จากความสามารถในการละลายสามารถแบ่งได้เป็นประเภทไอออนิกและประเภทไม่มีไอออนิก เซลลูโลสอีเธอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิกที่ละลายน้ำได้ประกอบด้วยอัลคิลอีเธอร์และไฮดรอกซิลอัลคิลอีเธอร์เป็นส่วนใหญ่ โดย CMC ที่เป็นไอออนิกนั้นส่วนใหญ่ใช้ในผงซักฟอกสังเคราะห์ สิ่งทอ การพิมพ์ อาหาร และการขุดเจาะปิโตรเลียม MC ที่ไม่ใช่ไอออนิก HPmc HEmc และอื่นๆ ส่วนใหญ่ใช้ในวัสดุก่อสร้าง เคลือบลาเท็กซ์ ยา เคมีในชีวิตประจำวัน และด้านอื่นๆ เช่น ตัวทำให้ข้น ตัวกักเก็บน้ำ ตัวทำให้คงตัว ตัวกระจายตัว ตัวสร้างฟิล์ม

การกักเก็บน้ำของเซลลูโลสอีเธอร์

ในการผลิตวัสดุก่อสร้าง โดยเฉพาะปูนผสมแห้ง เซลลูโลสอีเธอร์มีบทบาทสำคัญที่ไม่สามารถทดแทนได้ โดยเฉพาะในการผลิตปูนพิเศษ (ปูนดัดแปลง) ถือเป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้

บทบาทสำคัญของเซลลูโลสอีเธอร์ที่ละลายน้ำได้ในปูนมีอยู่ 3 ประการหลัก ประการหนึ่งคือความสามารถในการกักเก็บน้ำที่ดีเยี่ยม ประการที่สองคืออิทธิพลของความสม่ำเสมอและความหนืดของปูน และประการที่สามคือปฏิสัมพันธ์กับซีเมนต์

การกักเก็บน้ำของเซลลูโลสอีเธอร์ขึ้นอยู่กับฐานของความไฮโดรสโคปิก องค์ประกอบของปูน ความหนาของชั้นปูน ความต้องการน้ำของปูน เวลาในการควบแน่นของวัสดุควบแน่น การกักเก็บน้ำของเซลลูโลสอีเธอร์มาจากความสามารถในการละลายและการขาดน้ำของเซลลูโลสอีเธอร์เอง เป็นที่ทราบกันดีว่าโซ่โมเลกุลของเซลลูโลส แม้ว่าจะมีกลุ่ม OH ที่มีความชื้นสูงจำนวนมาก แต่ก็ไม่ละลายน้ำเนื่องจากมีโครงสร้างผลึกสูง ความสามารถในการดูดซับความชื้นของกลุ่มไฮดรอกซิลเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะชดเชยพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลที่แข็งแกร่งและแรงแวนเดอร์วาลส์ เมื่อตัวแทนถูกนำเข้าสู่โซ่โมเลกุล ไม่เพียงแต่ตัวแทนจะทำลายโซ่ไฮโดรเจนเท่านั้น แต่พันธะไฮโดรเจนระหว่างโซ่ยังถูกทำลายด้วยเนื่องจากการยึดของตัวแทนระหว่างโซ่ที่อยู่ติดกัน ยิ่งตัวแทนมีขนาดใหญ่ ระยะห่างระหว่างโมเลกุลก็จะมากขึ้น ยิ่งผลของพันธะไฮโดรเจนทำลายมากขึ้นเท่าไร โครงตาข่ายเซลลูโลสก็จะขยายตัวมากขึ้นเท่านั้น สารละลายในเซลลูโลสอีเธอร์ก็จะละลายน้ำได้ และเกิดเป็นสารละลายที่มีความหนืดสูง เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ไฮเดรชั่นของพอลิเมอร์ก็จะลดลง และน้ำระหว่างโซ่ก็จะถูกขับออกไป เมื่อผลของการขจัดน้ำเพียงพอแล้ว โมเลกุลจะเริ่มรวมตัวกันและเจลก็จะพับออกมาเป็นโครงตาข่ายสามมิติ ปัจจัยที่มีผลต่อการกักเก็บน้ำของปูน ได้แก่ ความหนืดของเซลลูโลสอีเธอร์ ปริมาณ ความละเอียดของอนุภาค และอุณหภูมิการใช้งาน

ยิ่งเซลลูโลสอีเธอร์มีความหนืดมากเท่าไร ประสิทธิภาพการกักเก็บน้ำและความหนืดของสารละลายพอลิเมอร์ก็จะดีขึ้นเท่านั้น น้ำหนักโมเลกุล (ระดับการเกิดพอลิเมอร์ไรเซชัน) ของพอลิเมอร์ยังถูกกำหนดโดยความยาวและสัณฐานวิทยาของโครงสร้างโมเลกุลของโซ่ และการกระจายตัวของจำนวนตัวแทนจะส่งผลโดยตรงต่อช่วงความหนืด [eta] = Km alpha

ความหนืดของสารละลายโพลิเมอร์

น้ำหนักโมเลกุลของโพลิเมอร์ M

ค่าคงที่ลักษณะเฉพาะของพอลิเมอร์ α

ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดของสารละลาย K

ความหนืดของสารละลายโพลีเมอร์ขึ้นอยู่กับน้ำหนักโมเลกุลของโพลีเมอร์ ความหนืดและความเข้มข้นของสารละลายเซลลูโลสอีเธอร์เกี่ยวข้องกับการใช้งานต่างๆ ดังนั้น เซลลูโลสอีเธอร์แต่ละชนิดจึงมีความหนืดที่แตกต่างกันมาก การควบคุมความหนืดยังทำได้โดยการย่อยสลายเซลลูโลสอัลคาไลเป็นหลัก กล่าวคือ การแตกของโซ่โมเลกุลเซลลูโลสเพื่อให้บรรลุผล

สำหรับขนาดอนุภาค ยิ่งอนุภาคละเอียดมากเท่าไหร่ การกักเก็บน้ำก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น อนุภาคขนาดใหญ่ของเซลลูโลสอีเธอร์ที่สัมผัสกับน้ำจะละลายทันทีและก่อตัวเป็นเจลเพื่อห่อหุ้มวัสดุเพื่อป้องกันไม่ให้โมเลกุลของน้ำแทรกซึมต่อไป บางครั้งการกวนเป็นเวลานานอาจทำให้ไม่สามารถกระจายตัวได้อย่างสม่ำเสมอ ทำให้เกิดสารละลายตกตะกอนหรือก้อนเนื้อที่มีลักษณะเป็นโคลน ความสามารถในการละลายของเซลลูโลสอีเธอร์เป็นปัจจัยหนึ่งที่ต้องเลือกเซลลูโลสอีเธอร์

การทำให้ข้นและความหนืดของเซลลูโลสอีเธอร์

ผลกระทบที่สองของเซลลูโลสอีเธอร์ – การทำให้ข้นขึ้นอยู่กับ: ระดับของการเกิดพอลิเมอไรเซชันของเซลลูโลสอีเธอร์ ความเข้มข้นของสารละลาย อัตราการเฉือน อุณหภูมิ และเงื่อนไขอื่น ๆ คุณสมบัติการเกิดเจลของสารละลายมีลักษณะเฉพาะของเซลลูโลสอัลคิลและอนุพันธ์ที่ดัดแปลง ลักษณะการเกิดเจลเกี่ยวข้องกับระดับของการทดแทน ความเข้มข้นของสารละลาย และสารเติมแต่ง สำหรับอนุพันธ์ที่ดัดแปลงด้วยไฮดรอกซิลอัลคิล คุณสมบัติของเจลยังเกี่ยวข้องกับระดับของการดัดแปลงด้วยไฮดรอกซิลอัลคิล สำหรับความเข้มข้นของสารละลาย MC และ HPmc ที่มีความหนืดต่ำสามารถเตรียมสารละลายที่มีความเข้มข้น 10%-15% MC และ HPmc ที่มีความหนืดปานกลางสามารถเตรียมสารละลายที่มีความเข้มข้น 5%-10% และ MC และ HPmc ที่มีความหนืดสูงสามารถเตรียมสารละลายที่มีความเข้มข้น 2%-3% เท่านั้น และโดยปกติแล้วความหนืดของเซลลูโลสอีเธอร์จะถูกแบ่งเกรดตามสารละลาย 1%-2% ประสิทธิภาพของสารทำให้ข้นของเซลลูโลสอีเธอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง ความเข้มข้นของสารละลายเท่ากัน โพลิเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่างกันจะมีความหนืดต่างกัน ความหนืดและน้ำหนักโมเลกุลสามารถแสดงได้ดังนี้ [η]=2.92×10-2 (DPn) 0.905 DPn คือระดับพอลิเมอไรเซชันเฉลี่ยของอีเธอร์เซลลูโลสที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำเพื่อเพิ่มเพื่อให้ได้ความหนืดตามเป้าหมาย ความหนืดของอีเธอร์เซลลูโลสอีเธอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำนั้นขึ้นอยู่กับอัตราเฉือนน้อยกว่า ความหนืดสูงเพื่อให้ได้ความหนืดตามเป้าหมาย ปริมาณที่ต้องเพิ่มน้อยลง ความหนืดขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพการทำให้ข้น ดังนั้น เพื่อให้ได้ความสม่ำเสมอที่แน่นอน จำเป็นต้องรับประกันอีเธอร์เซลลูโลสจำนวนหนึ่ง (ความเข้มข้นของสารละลาย) และความหนืดของสารละลาย อุณหภูมิการเกิดเจลของสารละลายจะลดลงเป็นเส้นตรงตามความเข้มข้นของสารละลายที่เพิ่มขึ้น และการเกิดเจลจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้องหลังจากถึงความเข้มข้นที่กำหนด HPmc มีความเข้มข้นของเจลสูงที่อุณหภูมิห้อง

ความสม่ำเสมอสามารถปรับได้โดยการเลือกขนาดอนุภาคและเซลลูโลสอีเธอร์ที่มีระดับการปรับเปลี่ยนที่แตกต่างกัน การปรับเปลี่ยนที่เรียกว่านี้คือการนำกลุ่มไฮดรอกซิลอัลคิลเข้ามาแทนที่ในระดับหนึ่งบนโครงสร้างโครงกระดูกของ MC โดยการเปลี่ยนค่าการแทนที่สัมพันธ์กันของกลุ่มแทนที่ทั้งสอง นั่นคือ ค่าการแทนที่สัมพันธ์กันของ DS และ MS ของกลุ่มเมทอกซีและไฮดรอกซิล คุณสมบัติต่างๆ ของเซลลูโลสอีเธอร์จำเป็นโดยการเปลี่ยนค่าการแทนที่สัมพันธ์กันของกลุ่มแทนที่สองประเภท

ความสัมพันธ์ระหว่างความสม่ำเสมอและการดัดแปลง ในรูปที่ 5 การเติมเซลลูโลสอีเธอร์ส่งผลต่อการใช้น้ำของปูน และเปลี่ยนอัตราส่วนน้ำต่อสารยึดเกาะของน้ำและซีเมนต์ ซึ่งก็คือผลของการทำให้ข้นขึ้น ยิ่งปริมาณการใช้สูงขึ้น การใช้น้ำก็จะมากขึ้น

เซลลูโลสอีเธอร์ที่ใช้ในวัสดุก่อสร้างที่เป็นผงจะต้องละลายได้อย่างรวดเร็วในน้ำเย็นและทำให้ระบบมีความสม่ำเสมอที่เหมาะสม หากอัตราเฉือนที่กำหนดยังคงเป็นก้อนและเป็นคอลลอยด์ แสดงว่าเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่ได้มาตรฐานหรือมีคุณภาพต่ำ

ยังมีความสัมพันธ์เชิงเส้นที่ดีระหว่างความสม่ำเสมอของสารละลายซีเมนต์และปริมาณของเซลลูโลสอีเธอร์ โดยเซลลูโลสอีเธอร์สามารถเพิ่มความหนืดของปูนได้อย่างมาก ยิ่งปริมาณมากขึ้น ผลลัพธ์จะยิ่งเห็นได้ชัดมากขึ้น

สารละลายเซลลูโลสอีเธอร์ในน้ำที่มีความหนืดสูงจะมีความหนืดสูง ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะอย่างหนึ่งของเซลลูโลสอีเธอร์ สารละลายในน้ำของพอลิเมอร์ประเภท Mc มักจะมีของเหลวเทียมแบบไม่มีความหนืดต่ำกว่าอุณหภูมิเจล แต่มีคุณสมบัติการไหลแบบนิวโทเนียนที่อัตราการเฉือนต่ำ ความเป็นเทียมแบบมีความหนืดเพิ่มขึ้นตามน้ำหนักโมเลกุลหรือความเข้มข้นของเซลลูโลสอีเธอร์ที่เพิ่มขึ้น และไม่ขึ้นอยู่กับชนิดและระดับของสารแทนที่ ดังนั้น เซลลูโลสอีเธอร์ที่มีเกรดความหนืดเท่ากัน ไม่ว่าจะเป็น MC, HPmc หรือ HEmc จะแสดงคุณสมบัติการไหลแบบเดียวกันเสมอ ตราบใดที่ความเข้มข้นและอุณหภูมิยังคงที่ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เจลโครงสร้างจะก่อตัวขึ้นและเกิดการไหลแบบมีความหนืดสูง เซลลูโลสอีเธอร์ที่มีความเข้มข้นสูงและความหนืดต่ำจะแสดงความหนืดแม้ต่ำกว่าอุณหภูมิเจล คุณสมบัตินี้เป็นประโยชน์อย่างมากต่อการก่อสร้างปูนสำหรับอาคารเพื่อปรับการไหลและคุณสมบัติการแขวนไหล จำเป็นต้องอธิบายที่นี่ว่ายิ่งความหนืดของเซลลูโลสอีเธอร์สูงขึ้น การกักเก็บน้ำก็จะดีขึ้น แต่ยิ่งความหนืดสูงขึ้น น้ำหนักโมเลกุลสัมพันธ์ของเซลลูโลสอีเธอร์ก็จะสูงขึ้น ความสามารถในการละลายจะลดลงตามไปด้วย ซึ่งส่งผลเสียต่อความเข้มข้นของปูนและประสิทธิภาพในการก่อสร้าง ยิ่งความหนืดสูงขึ้น ผลของการทำให้ปูนข้นจะเห็นได้ชัดขึ้น แต่ก็ไม่ใช่ความสัมพันธ์ที่เป็นสัดส่วนอย่างสมบูรณ์ ความหนืดต่ำบ้าง แต่เซลลูโลสอีเธอร์ที่ดัดแปลงเพื่อปรับปรุงความแข็งแรงของโครงสร้างของปูนเปียกจะมีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมยิ่งขึ้น เมื่อความหนืดเพิ่มขึ้น การกักเก็บน้ำของเซลลูโลสอีเธอร์ก็จะดีขึ้น