纖維素醚在預(yù)拌砂漿中的重要作用
在預(yù)拌砂漿中，纖維素醚的添加量很低，但能改善濕砂漿的性能，是影響砂漿施工性能的—種主要添加劑。合理選擇不同品種，不同粘度，不同顆粒尺寸，不同粘性程度和添加量的纖維素醚，對(duì)干粉砂漿性能的提高產(chǎn)生并發(fā)揮著積極的影響。當(dāng)前，許多砌筑和抹灰砂漿保水性能不好，稍微靜置幾分鐘就會(huì)出現(xiàn)水漿分離。
保水性是甲基纖維素醚的一個(gè)重要性能，也是國(guó)內(nèi)很多干粉砂漿廠家，特別是南方氣溫較高地區(qū)的廠家關(guān)注的性能。影響干粉砂漿保水效果的因素包括MC的添加量、MC黏度、顆粒的細(xì)度及使用環(huán)境的溫度等。
纖維素醚是以天然纖維素為原料，經(jīng)化學(xué)改性制得的合成型高分子聚合物。纖維素醚是天然纖維素的衍生物，纖維素醚生產(chǎn)與合成聚合物不同，它的基本的材料是纖維素，天然的高分子化合物。由于天然纖維素結(jié)構(gòu)的特殊性，纖維素本身沒(méi)有與醚化劑反應(yīng)的能力。但經(jīng)過(guò)溶脹劑的處理，在分子鏈間和鏈內(nèi)強(qiáng)大的氫鍵遭到破壞，羥基的活性釋放變成具有反應(yīng)能力的堿纖維素，在經(jīng)過(guò)醚化劑反應(yīng)-OH基轉(zhuǎn)成-OR基得到纖維素醚。
纖維素醚的性質(zhì)取決于取代基的種類，數(shù)量和分布。而纖維素醚的分類也是根據(jù)取代基的種類，醚化程度，溶解性能及相關(guān)應(yīng)用型能來(lái)分類的。按分子鏈上取代基類型，可分為單醚和混合醚，我們通常用的MC為單醚，HPMC則為混合醚。甲基纖維素醚MC是天然纖維素葡萄糖單元上的羥基被甲氧基取代后的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式為[COH7O2（OH）3-h（OCH3）h ]x，羥丙基甲基纖維素醚HPMC是單元上的羥基一部分被甲氧基取代，另一部分被羥丙基取代得到的產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)式為[C6H7O2（OH）3-m-n（OCH3）m[OCH2CH（OH）CH3] n]x另外還有羥乙基甲基纖維素醚HEMC，這幾種是目前市場(chǎng)上廣為應(yīng)用和銷售的主要品種。
從溶解性能上又可分為離子型和非離子型。水溶性非離子型纖維素醚主要由烷基醚和羥烷基醚兩大系列品種組成。離子型CMC主要應(yīng)用在合成洗滌劑紡織印染食品和石油開(kāi)采方面。而非離子型MC，HPMC， HEMC等主要應(yīng)用于建筑材料、乳膠涂料、醫(yī)藥、日用化學(xué)等方面。作為增稠劑、保水劑、穩(wěn)定劑、分散劑、成膜劑使用。
纖維素醚的保水性：在建筑材料特別是干粉砂漿的生產(chǎn)中，纖維素醚發(fā)揮著不可替代的作用，特別是在特種砂漿（改性砂漿）的生產(chǎn)中，更是不可缺少的重要組成部分。水溶性纖維素醚在砂漿中的重要作用主要有三個(gè)方面，一是優(yōu)良的保水能力，二是對(duì)砂漿稠度和觸變性的影響，三是與水泥的相互作用。纖維素醚的保水作用，取決于基層的吸水性，砂漿的組成，砂漿的層厚，砂漿的需水量，凝結(jié)材料的凝結(jié)時(shí)間。就纖維素醚本身的保水性則來(lái)自于纖維素醚本身的溶解性和去水化作用。眾所周知，纖維素分子鏈雖然含有大量水化性很強(qiáng)的OH基，但其本身并不溶于水，這是因?yàn)槔w維素結(jié)構(gòu)有高度的結(jié)晶性。單靠羥基的水化能力還不足以支付分子間強(qiáng)大的氫鍵和范德華力。所以在水中只溶脹不溶解，當(dāng)分子鏈中引入取代基時(shí)，不但取代基破壞了氫鏈，而且因相鄰鏈間取代基楔入而破壞鏈間氫鍵，取代基越大拉開(kāi)分子間距離越大。破壞氫鍵效應(yīng)越大，纖維素晶格膨化后，溶液進(jìn)入，纖維素醚成為水溶性，形成高粘度溶液。當(dāng)溫度升高時(shí)，高分子水化作用減弱，而鏈間的水被逐出。當(dāng)去水作用充分時(shí)，分子開(kāi)始聚集，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凝膠折出。
影響砂漿的保水性的因素包括纖維素醚粘度，添加量，顆粒細(xì)度和使用溫度。
纖維素醚的粘度越大保水性能越好。黏度是MC性能的重要參數(shù)，目前不同的MC生產(chǎn)商采用不同的方法和儀器來(lái)測(cè)定MC的黏度，主要方法有Haake Rotovisko、Hoppler、Ubbelohde和Brookfield等。對(duì)于同一種產(chǎn)品，用不同方法測(cè)得的黏度結(jié)果差別很大，有的甚至是成倍的差異。因此，比較黏度時(shí)，一定要在同一種測(cè)試方法之間進(jìn)行，包括溫度、轉(zhuǎn)子等。
一般來(lái)說(shuō)，黏度越高，保水效果越好。但黏度越高，MC的分子量越高，其溶解性能就會(huì)相應(yīng)降低，這對(duì)砂漿的強(qiáng)度和施工性能有負(fù)面的影響。黏度越高，對(duì)砂漿的增稠效果越明顯，但并不是正比的關(guān)系。黏度越高，濕砂漿會(huì)越黏，既施工時(shí)，表現(xiàn)為粘刮刀和對(duì)基材的黏著性高。但對(duì)濕砂漿本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增加幫助不大。既施工時(shí)，表現(xiàn)為抗下垂性能不明顯。相反，一些中低黏度但經(jīng)過(guò)改性的甲基纖維素醚則在改善濕砂漿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有優(yōu)異的表現(xiàn)。
纖維素醚在砂漿中的添加量越大，保水性能越好，粘度越高，保水性能越優(yōu)。
對(duì)于顆粒尺寸，顆粒越細(xì)保水性越好。大顆粒的纖維素醚與水接觸后，表面立即溶解而形成凝膠將物料包裹起來(lái)阻止水分子繼續(xù)滲入，有時(shí)長(zhǎng)時(shí)間攪拌也得不到均勻分散溶解，形成一種渾濁絮狀溶液或結(jié)塊。大大影響其纖維素醚的保水作用，溶解性則是選擇纖維素醚的要素之一。細(xì)度也是甲基纖維素醚的一個(gè)重要的性能指標(biāo)。用于干粉砂漿的MC要求為粉末，水含量低，而且細(xì)度也要求20%~60%的粒徑小于63um。細(xì)度影響到甲基纖維素醚的溶解性。較粗的MC通常為顆粒狀，在水中很容易分?jǐn)?shù)溶解而不結(jié)塊，但溶解速度很慢，不宜在干粉砂漿中使用。在干粉砂漿中，MC分散于骨料、細(xì)填料和水泥等膠結(jié)材料之間，只有足夠細(xì)的粉末才能避免加水?dāng)嚢钑r(shí)出現(xiàn)甲基纖維素醚結(jié)塊。當(dāng)MC加水溶解結(jié)塊后，在分散溶解就很困難。細(xì)度較粗的MC不但浪費(fèi)，而且會(huì)降低砂漿的局部強(qiáng)度，這樣的干粉砂漿大面積施工時(shí)，就表現(xiàn)為局部干粉砂漿的固化速度明顯降低，出現(xiàn)由于固化時(shí)間不同而造成的開(kāi)裂。對(duì)于采用機(jī)械施工的噴射砂漿，由于攪拌的時(shí)間較短，對(duì)細(xì)度的要求更高。
MC的細(xì)度對(duì)其保水性也有一定的影響，一般說(shuō)，對(duì)于黏度相同而細(xì)度不同的甲基纖維素醚，在相同添加量的情況下，細(xì)度越細(xì)的保水效果更加好。
MC的保水性也和使用的溫度有關(guān)，甲基纖維素醚的保水性隨溫度的上升而降低。但在實(shí)際的材料應(yīng)用中，許多環(huán)境下干粉砂漿經(jīng)常會(huì)在高溫(高于40度)的條件下施工于熱基材，如夏天有日曬情況下的外墻膩?zhàn)幽ɑ?，這往往加速了水泥的固化和干粉砂漿的硬化。保水率的下降導(dǎo)致了明顯感覺(jué)到施工性和抗開(kāi)裂性均受到影響，在這種條件下減小溫度因素的影響變得尤為關(guān)鍵。雖然甲基羥乙基纖維素醚添加劑目前被認(rèn)為處于技術(shù)發(fā)展前沿的水平，但其對(duì)溫度的依賴性依然會(huì)導(dǎo)致干粉砂漿性能的減弱。盡管提高甲基羥乙基纖維素用量(夏天配方)，施工性和抗開(kāi)裂性仍不能滿足使用的需要。對(duì)MC通過(guò)一些特殊的處理，如提高醚化度等，可以使其保水效果在溫度較高的情況下保持較佳的效果，使它在惡劣條件下提供更好的表現(xiàn)。
此外，纖維素醚的增稠與觸變性：纖維素醚第二個(gè)作用—增稠作用取決于：纖維素醚的聚合度，溶液濃度，剪切速率，溫度等條件。溶液的凝膠化特性是烷基纖維素和它的改性衍生物所有的性質(zhì)。凝膠化特性與取代度，溶液濃度和添加劑有關(guān)。對(duì)于羥烷基改性衍生物，凝膠特性還與羥烷基的改性程度有關(guān)。對(duì)于溶液濃度低粘度的MC及HPMC可配制10%-15%濃度溶液，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，而通常纖維素醚的粘度分級(jí)也是以1%-2%溶液來(lái)分級(jí)的。高分子量纖維素醚增稠效率高，同一濃度溶液，不同分子量聚合物有不同的粘度，粘度和分子量之間可用下列表示，[η]=2.92×10-2（DPn）0.905，DPn是平均聚合度性高。低分子量纖維素醚加入量多才能達(dá)到目標(biāo)粘度。其粘度對(duì)剪切速率依賴性小，高粘度達(dá)到目標(biāo)粘度，所需加入量少，粘度的大小決定于增稠效率。所以要達(dá)到一定的稠度保證纖維素醚一定的加入量（溶液的濃度）和溶液粘度。溶液的凝膠溫度也隨著溶液的濃度增加而降低呈線性，到達(dá)一定濃度后室溫凝膠化。HPMC在室溫凝膠化濃度是較高的。
稠度還可以經(jīng)過(guò)選擇顆粒尺寸和選擇不同改性程度的纖維素醚調(diào)節(jié)。所謂改性，就是在MC的骨架結(jié)構(gòu)上引入一定取代程度的羥烷基。通過(guò)改變兩種取代基的相對(duì)取代值，也就是我們常說(shuō)的甲氧基和羥烷基的DS和ms相對(duì)取代值。通過(guò)改變兩種取代基的相對(duì)取代值獲得纖維素醚的多種性能的要求。
稠度與改性關(guān)系：纖維素醚的加入影響砂漿的用水量，改變了水與水泥的水膠比就是增稠效果，摻量越高，用水量加大。
用于粉狀建筑材料的纖維素醚，應(yīng)該在冷水中迅速溶解，并能提供給體系適宜的稠度。如果給與一定剪切速率仍成絮狀和膠體塊狀這就是不合格或質(zhì)量不好的產(chǎn)品。
水泥漿體稠度與纖維素醚的摻量也有著良好的線性關(guān)系，纖維素醚可以大大增加砂漿的粘稠度，摻量越大，效果越明顯。高粘度的纖維素醚水溶液具有高的觸變性，這也是纖維素醚的一大特性。MC類聚合物的水溶液在其凝膠溫度的以下通常具有假塑性，非觸變流動(dòng)性，但在低剪切速率時(shí)呈牛頓型流動(dòng)性質(zhì)。假塑性隨纖維素醚分子量或濃度的增加而變大，與取代基類型和取代度無(wú)關(guān)。所以，相同粘度等級(jí)的纖維素醚，不管是MC，HPMC，HEMC，只要是濃度和溫度保持恒定，總表現(xiàn)出相同的流變性質(zhì)。當(dāng)溫度提高時(shí)形成結(jié)構(gòu)凝膠，出現(xiàn)高觸變流動(dòng)。高濃度低粘度的纖維素醚即使在凝膠溫度以下，也表現(xiàn)出觸變性。這一性質(zhì)對(duì)建筑砂漿的施工調(diào)整其流平和流掛性是大有益處的。這里需要說(shuō)明一點(diǎn)，纖維素醚的粘度越高，保水性越好，但粘度越高，纖維素醚相對(duì)分子量越高，其溶解性能相應(yīng)降低，這對(duì)砂漿濃度和施工性能造成負(fù)面影響。粘度越高，對(duì)砂漿的增稠效果越明顯，但并不是完全的正比關(guān)系。一些中低粘度，但經(jīng)過(guò)改性的纖維素醚在改善濕砂漿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有更加優(yōu)異的表現(xiàn)，隨粘度的增加，纖維素醚保水性提高。
纖維素醚的緩凝性：纖維素醚第三個(gè)作用是延緩水泥的水化進(jìn)程。纖維素醚賦予砂漿各種有益的性能，還會(huì)降低水泥早期水化放熱量，延緩水泥的水化動(dòng)力過(guò)程。這對(duì)寒冷地區(qū)砂漿使用是不利的。這種緩凝作用是纖維素醚分子吸附在C-S-H及ca（OH）2等水化產(chǎn)物上所造成，由于孔隙溶液粘度的增加，纖維素醚降低了離子在溶液中的活動(dòng)性，從而延緩了水化過(guò)程。纖維素醚在礦物凝膠材料中濃度越高，水化延遲的作用越明顯。纖維素醚不僅延緩凝結(jié)，而且也會(huì)推遲水泥砂漿系統(tǒng)的硬化過(guò)程。纖維素醚緩凝作用不僅取決于它在礦物凝膠系統(tǒng)中的濃度，而且取決于化學(xué)結(jié)構(gòu)，對(duì)HEMC甲基化程度越高，纖維素醚緩凝作用越好，親水取代比增水取代的緩凝作用更強(qiáng)。但纖維素醚的粘度對(duì)水泥水化動(dòng)力學(xué)影響甚微。
隨著纖維素醚摻量的增加，砂漿的凝結(jié)時(shí)間顯著增長(zhǎng)。砂漿的初凝時(shí)間與纖維素醚摻量間具有良好的非線形相關(guān)性，終凝時(shí)間與纖維素醚摻量具有良好的線性相關(guān)性。我們可以通過(guò)改變纖維素醚的摻量，控制砂漿的可操作時(shí)間。
綜上所述，在預(yù)拌砂漿中，纖維素醚起著保水、增稠、延緩水泥水化動(dòng)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，可以改善濕砂漿的濕粘性，提高砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度，可調(diào)整時(shí)間。機(jī)械噴涂砂漿加入纖維素醚可以改善砂漿的噴涂或泵送性能，以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此，纖維素醚正作為一種重要的添加劑在預(yù)拌砂漿中被廣泛應(yīng)用。