纤维素醚在预拌砂浆中的重要作用

纤维素醚在预拌砂浆中的重要作用
在预拌砂浆中，纤维素醚的添加量很低，但能改善湿砂浆的性能，是影响砂浆施工性能的—种主要添加剂。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，对干粉砂浆性能的提高产生并发挥着积极的影响。当前，许多砌筑和抹灰砂浆保水性能不好，稍微静置几分钟就会出现水浆分离。
保水性是甲基纤维素醚的一个重要性能，也是国内很多干粉砂浆厂家，特别是南方气温较高地区的厂家关注的性能。影响干粉砂浆保水效果的因素包括MC的添加量、MC黏度、颗粒的细度及使用环境的温度等。
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。
纤维素醚的保水性：在建筑材料特别是干粉砂浆的生产中，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。黏度是MC性能的重要参数，目前不同的MC生产商采用不同的方法和仪器来测定MC的黏度，主要方法有Haake Rotovisko、Hoppler、Ubbelohde和Brookfield等。对于同一种产品，用不同方法测得的黏度结果差别很大，有的甚至是成倍的差异。因此，比较黏度时，一定要在同一种测试方法之间进行，包括温度、转子等。
一般来说，黏度越高，保水效果越好。但黏度越高，MC的分子量越高，其溶解性能就会相应降低，这对砂浆的强度和施工性能有负面的影响。黏度越高，对砂浆的增稠效果越明显，但并不是正比的关系。黏度越高，湿砂浆会越黏，既施工时，表现为粘刮刀和对基材的黏着性高。但对湿砂浆本身的结构强度的增加帮助不大。既施工时，表现为抗下垂性能不明显。相反，一些中低黏度但经过改性的甲基纤维素醚则在改善湿砂浆的结构强度有优异的表现。
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。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。细度也是甲基纤维素醚的一个重要的性能指标。用于干粉砂浆的MC要求为粉末，水含量低，而且细度也要求20%~60%的粒径小于63um。细度影响到甲基纤维素醚的溶解性。较粗的MC通常为颗粒状，在水中很容易分数溶解而不结块，但溶解速度很慢，不宜在干粉砂浆中使用。在干粉砂浆中，MC分散于骨料、细填料和水泥等胶结材料之间，只有足够细的粉末才能避免加水搅拌时出现甲基纤维素醚结块。当MC加水溶解结块后，在分散溶解就很困难。细度较粗的MC不但浪费，而且会降低砂浆的局部强度，这样的干粉砂浆大面积施工时，就表现为局部干粉砂浆的固化速度明显降低，出现由于固化时间不同而造成的开裂。对于采用机械施工的喷射砂浆，由于搅拌的时间较短，对细度的要求更高。
MC的细度对其保水性也有一定的影响，一般说，对于黏度相同而细度不同的甲基纤维素醚，在相同添加量的情况下，细度越细的保水效果更加好。
MC的保水性也和使用的温度有关，甲基纤维素醚的保水性随温度的上升而降低。但在实际的材料应用中，许多环境下干粉砂浆经常会在高温(高于40度)的条件下施工于热基材，如夏天有日晒情况下的外墙腻子抹灰，这往往加速了水泥的固化和干粉砂浆的硬化。保水率的下降导致了明显感觉到施工性和抗开裂性均受到影响，在这种条件下减小温度因素的影响变得尤为关键。虽然甲基羟乙基纤维素醚添加剂目前被认为处于技术发展前沿的水平，但其对温度的依赖性依然会导致干粉砂浆性能的减弱。尽管提高甲基羟乙基纤维素用量(夏天配方)，施工性和抗开裂性仍不能满足使用的需要。对MC通过一些特殊的处理，如提高醚化度等，可以使其保水效果在温度较高的情况下保持较佳的效果，使它在恶劣条件下提供更好的表现。
此外，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。
稠度与改性关系：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，掺量越高，用水量加大。
用于粉状建筑材料的纤维素醚，应该在冷水中迅速溶解，并能提供给体系适宜的稠度。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。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变大，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。
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。
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。
综上所述，在预拌砂浆中，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，可调整时间。机械喷涂砂浆加入纤维素醚可以改善砂浆的喷涂或泵送性能，以及结构强度。因此，纤维素醚正作为一种重要的添加剂在预拌砂浆中被广泛应用。