浅析纤维素醚在干混砂浆的作用

浅析纤维素醚在干混砂浆的作用文/许凤桐摘要：纤维素醚mc，Hpmc，HEmc在建筑干混砂浆中起着十分重要的作用，它们不仅显著改善着砂浆的性能，而且影响着砂浆的施工和可操作性，合理选择不同品种，不同粘度，不同颗粒尺寸，不同粘性程度，和添加量的纤维素醚，对干混砂浆性能的提高产生并发挥着积极的影响。关键词：干混砂浆纤维素醚粘度保水率增稠作用浓度凝结时间掺加量触变性1.概述纤维素醚是以天然纤维素为原料，经化学改性制得的合成型高分子聚合物。纤维素醚是天然纤维素的衍生物，纤维素醚生产与合成聚合物不同，它的最基本的材料是纤维素，天然的高分子化合物。由于天然纤维素结构的特殊性，纤维素本身没有与醚化剂反应的能力。但经过溶胀剂的处理，在分子链间和链内强大的氢键遭到破坏，羟基的活性释放变成具有反应能力的碱纤维素，在经过醚化剂反应—OH基转成—OR基得到纤维素醚。纤维素醚的性质取决于取代基的种类，数量和分布。而纤维素醚的分类也是根据取代基的种类，醚化程度，溶解性能及相关应用型能来分类的。按分子链上取代基类型，可分为单醚和混合醚，我们通常用的mc为单醚，HPmc则为混合醚。甲基纤维素醚mc是天然纤维素葡萄糖单元上的羟基被甲氧基取代后的产物结构式为[COH7O2（OH）3-h（OCH3）h]x，羟丙基甲基纤维素醚HPmc是单元上的羟基一部分被甲氧基取代，另一部分被羟丙基取代得到的产物，结构式为[C6H7O2（OH）3-m-n（OCH3）m[OCH2CH（OH）CH3]n]x另外还有羟乙基甲基纤维素醚HEmc，这几种是目前市场上广为应用和销售的主要品种。从溶解性能上又可分为离子型和非离子型。水溶性非离子型纤维素醚主要由烷基醚和羟烷基醚两大系列品种组成。离子型Cmc主要应用在合成洗涤剂纺织印染食品和石油开采方面。而非离子型mc，HPmc，HEmc等主要应用于建筑材料、乳胶涂料、医药、日用化学等方面。作为增稠剂、保水剂、稳定剂、分散剂、成膜剂使用。2.纤维素醚的保水性在建筑材料特别是干混砂浆的生产中，纤维素醚发挥着不可替代的作用，特别是在特种砂浆（改性砂浆）的生产中，更是不可缺少的重要组成部分。水溶性纤维素醚在砂浆中的重要作用主要有三个方面，一是优良的保水能力，二是对砂浆稠度和触变性的影响，三是与水泥的相互作用。纤维素醚的保水作用，取决于基层的吸水性，砂浆的组成，砂浆的层厚，砂浆的需水量，凝结材料的凝结时间。就纤维素醚本身的保水性则来自于纤维素醚本身的溶解性和去水化作用。众所周知，纤维素分子链虽然含有大量水化性很强的OH基，但其本身并不溶于水，这是因为纤维素结构有高度的结晶性。单靠羟基的水化能力还不足以支付分子间强大的氢键和范德华力。所以在水中只溶胀不溶解，当分子链中引入取代基时，不但取代基破坏了氢链，而且因相邻链间取代基楔入而破坏链间氢键，取代基越大拉开分子间距离越大。破坏氢键效应越大，纤维素晶格膨化后，溶液进入，纤维素醚成为水溶性，形成高粘度溶液。当温度升高时，高分子水化作用减弱，而链间的水被逐出。当去水作用充分时，分子开始聚集，形成三维网状结构凝胶折出。影响砂浆的保水性的因素包括纤维素醚粘度，添加量，颗粒细度和使用温度。纤维素醚的粘度越大保水性能越好，聚合物溶液的粘度。依赖于聚合物的分子量（聚合度）也由分子结构链长和链的形态决定，取代基的种类数量分布也直接影响它的粘度范围。[η]=Kmα[η]聚合物溶液的特性粘度m聚合物分子量α聚合物特性常数K粘度溶液系数聚合物溶液粘度取决于聚合物分子量的大小。纤维素醚溶液的粘度和浓度与各领域的应用有关。所以每种纤维素醚有许多不同的粘度规格，粘度的调节也主要通过碱纤维素的降解即纤维素分子链的断裂来实现。保水率%图1保水率与粘度的关系粘度（mpa·s）保水率%图2保水率与添加量的关系添加量从图1.2可以看出，纤维素醚在砂浆中的添加量越大，保水性能越好，粘度越高，保水性能越优。对于颗粒尺寸，颗粒越细保水性越好见图3。大颗粒的纤维素醚与水接触后，表面立即溶解而形成凝胶将物料包裹起来阻止水分子继续渗入，有时长时间搅拌也得不到均匀分散溶解，形成一种浑浊絮状溶液或结块。大大影响其纤维素醚的保水作用，溶解性则是选择纤维素醚的要素之一。3.纤维素醚的增稠与触变性纤维素醚第二个作用—增稠作用取决于：纤维素醚的聚合度，溶液浓度，剪切速率，温度等条件。溶液的凝胶化特性是烷基纤维素和它的改性衍生物所独有的性质。凝胶化特性与取代度，溶液浓度和添加剂有关。对于羟烷基改性衍生物，凝胶特性还与羟烷基的改性程度有关。对于溶液浓度低粘度的mc及HPmc可配制10%-15%浓度溶液，中等粘度mc及HPmc可配制5%-10%溶液而高粘度mc及HPmc只能配制2%-3%溶液，而通常纤维素醚的粘度分级也是以1%-2%溶液来分级的。高分子量纤维素醚增稠效率高，同一浓度溶液，不同分子量聚合物有不同的粘度，粘度和分子量之间可用下列表示，[η]=2.92×10-2（DPn）0.905，DPn是平均聚合度性高。低分子量纤维素醚加入量多才能达到目标粘度。其粘度对剪切速率依赖性小，高粘度达到目标粘度，所需加入量少，粘度的大小决定于增稠效率。所以要达到一定的稠度必须保证纤维素醚一定的加入量（溶液的浓度）和溶液粘度。溶液的凝胶温度也随着溶液的浓度增加而降低呈线性，到达一定浓度后室温凝胶化。HPmc在室温凝胶化浓度是较高的。稠度还可以经过选择颗粒尺寸和选择不同改性程度的纤维素醚调节。所谓改性，就是在mc的骨架结构上引入一定取代程度的羟烷基。通过改变两种取代基的相对取代值，也就是我们常说的甲氧基和羟烷基的DS和ms相对取代值。通过改变两种取代基的相对取代值获得纤维素醚的多种性能的要求。从图4可以看出稠度与改性关系。图5中纤维素醚的加入影响砂浆的用水量改变了水与水泥的水胶比就是增稠效果，使掺量越高，用水量加大。用于粉状建筑材料的纤维素醚，必须在冷水中迅速溶解，并并能提供给体系保水率%图3颗粒细度对纤维素醚保水性影响吸收时间（min）极细粉末细粉末适宜的稠度。如果给与一定剪切速率仍成絮状和胶体块状这就是不合格或质量不好的产品。水泥浆体稠度与纤维素醚的掺量也有着良好的线性关系，纤维素醚可以大大增加砂浆的粘稠度，掺量越大，效果越明显，见图6吸水量%图4稠度与改性关系水胶比纤维素醚掺加量%图5纤维素醚掺加量对砂浆水胶比影响高粘度的纤维素醚水溶液具有高的触变性，这也是纤维素醚的一大特性。Mc类聚合物的水溶液在其凝胶温度的以下通常具有假塑性，非触变流动性，但在低剪切速率时呈牛顿型流动性质。假塑性随纤维素醚分子量或浓度的增加而增大，与取代基类型和取代度无关。所以，相同粘度等级的纤维素醚，不管是mc，HPmc，HEmc，只要是浓度和温度保持恒定，总表现出相同的流变性质。当温度提高时形成结构凝胶，出现高触变流动。高浓度低粘度的纤维素醚即使在凝胶温度以下，也表现出触变性。这一性质对建筑砂浆的施工调整其流平和流挂性是大有益处的。这里需要说明一点，纤维素醚的粘度越高，保水性越好，但粘度越高，纤维素醚相对分子量越高，其溶解性能相应降低，这对砂浆浓度和施工性能造成负面影响。粘度越高，对砂浆的增稠效果越明显，但并不是完全的正比关系。一些中低粘度，但经过改性的纤维素醚在改善湿砂浆的结构强度有更加优异的表现，随粘度的增加，纤维素醚保水性提高。4.纤维素醚的缓凝性纤维素醚第三个作用是延缓水泥的水化进程纤维素醚赋予砂浆各种有益的性能，还会降低水泥早期水化放热量，延缓水泥的水化动力过程。这对寒冷地区砂浆使用是不利的。这种缓凝作用是纤维素醚分子吸附在C-S-H及ca（OH）2等水化产物上所造成，由于孔隙溶液粘度的增加，纤维素醚降低了离子在溶液中的活动性，从而延缓了水化过程。纤维素醚在矿物凝胶材料中浓度越高，水化延迟的作用越明显。纤维素醚不仅延缓凝结，而且也会推迟水泥砂浆系统的硬化过程。纤维素醚缓凝作用不仅取决于它在矿物凝胶系统中的浓度，而且取决于化学结构，对HEmc甲基化程度越高，纤维素醚缓凝作用越好，亲水取代比增水取代的缓凝作用更强。但纤维素醚的粘度对水泥水化动力学影响甚微。稠度min纤维素醚掺加量%图6纤维素醚掺量与稠度关系由图7可以看出，随着纤维素醚掺量的增加，砂浆的凝结时间显著增长。砂浆的初凝时间与纤维素醚掺量间具有良好的非线形相关性，终凝时间与纤维素醚掺量具有良好的线性相关性。我们可以通过改变纤维素醚的掺量，控制砂浆的可操作时间。我们在瓷砖粘结砂浆的试验中，也验证了纤维素醚这一性能，纤维素醚的增加，可以大大提高其晾置与修整时间。见图8表1不同掺量纤维素醚对瓷砖粘结剂工作性能影响凝结时间min纤维素醚掺加量%图7纤维素醚掺量对凝结时间的影响图8纤维素醚掺量对瓷砖晾置时间的影响晾置时间min纤维素醚掺加量%Me用量%0.10.20.30.40.5压剪粘结强度mpa0.720.951.241.361.30抗下垂性下垂稍下垂不下垂不下垂不下垂稠度mm1301.5PO8575晾置时间min510203035施工性差较好好好差从表1可以看出随着纤维素醚添加量不同对砂浆综合性能的影响5.结束语综上所述，在干粉砂浆中，纤维素醚起着保水、增稠、延缓水泥水化动力，改善施工性能等作用。良好的保水能力使水泥水化更加完全，可以改善湿砂浆的湿粘性，提高砂浆的粘结强度，瓷砖粘结砂浆中，可提高开放时间，调整时间。机械喷涂砂浆加入纤维素醚可以改善砂浆的结构强度。自流平中可以防止沉降，离析分层等。因此，纤维素醚正作为一种重要的添加剂在干粉砂浆中被广泛应用。在干混砂浆应用纤维素醚要想充分发挥其应用的作用，选择好纤维素醚的种类和确定它的应用范围也是至关重要的。参考文献1.严瑞瑄水溶性高分子化学工业出版社20042.徐峰刘兰薛黎明粉状建筑涂料与胶粘剂20063.王培铭商品砂浆的研究与应用机械工业出版社20054.郭延辉赵霄龙墙体保温材料及应用技术中国电力工业出版社2006