水溶性纤维素醚的合成及在建材中的应用

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：水溶性纤维素醚水溶液的浓度、环境温度、体系pH值、添加剂的化学性质及搅拌速率都会影响其溶液凝胶温度和黏度，特别是水泥制品都是碱性环境的无机盐溶液，通常会降低纤维素衍生物水溶液的凝胶温度和黏度，给使用带来不利影响。有研究表明，水溶性纤维素衍生物的分子量对水泥复合材料的强度有明显影响，随分子量的提高，相同掺量下复合材料的强度呈下降趋势，且随掺量的增加，缓凝现象逐渐严重。

在掺加高效减水剂的混凝土中，可能产生离析、泌水和沉降等现象，通常要加入其他外加剂来保持水泥基材料中自由水，并改善其流动性、和易性。以自密实混凝土（self-compacting concrete,SCC）为例，由于自密实混凝土是通过限制粗骨料含量和最大粒径以及通过高效减水剂降低水灰比来实现的，在SCC的运输、放置过程中，高流动性可能导致离析、泌水，因此往往掺加增黏剂进行改善。增黏剂（viscosity-enhancing admixtures,VEAs），也称抗水冲散剂（antiwashout admixtures）、黏度改性剂（viscosity-modifying admixtures），是一类水溶性聚合物，能增加水泥基材料的黏聚性和黏结力，提高水泥基材料均匀性和硬化产品的性能。VEAs最早于20世纪70年代中期在德国应用，然后在80年代早期引入日本。VEAs主要是用于水泥基灌浆材料、喷射混凝土、水下抗分散混凝土、自密实混凝土等一些特殊混凝土施工中。一般情况下与高效减水剂配合使用，以获得较大流动度和黏度，使新拌水泥基材料能够立即流入浇筑点而使体系中不同密度的各种材料分离性最小、水下浇筑过程中混入的水量最小。

（1）VEAs分类

增黏剂按其材料来源不同可以分为五类：第一类包括纤维素醚、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚氧化乙烯（PEO）等能提高水溶液黏度的水溶性天然高分子衍生物和合成高分子；第二类是有机水溶性絮凝剂，通过在水泥颗粒表面吸附，使两者之间吸引力增强，进而提高黏度，如苯乙烯共聚物、合成聚电介质及天然胶等；第三类属于有机材料的乳液，它们能够提高粒子间吸引力，并且为水泥浆提供额外的超细粒子，如丙烯酸乳液和水溶性黏土分散剂等；第四类包括硅灰等高表面积的水润胀性无机材料，如膨润土、硅粉等；第五类包括高表面积的无机粒子，能改善水泥浆触变性，如粉煤灰、熟石灰、高岭土等。

从获得途径可将有机增黏剂分为天然水溶性聚合物，半合成聚合物和合成聚合物。天然聚合物包括淀粉、瓜儿胶（guar gum）、藻酸盐、琼脂（agar）、阿拉伯胶、welan胶以及植物蛋白。半合成聚合物包括：降解淀粉及其衍生物、纤维素醚衍生物等。合成的聚合物包括：基于乙烯的聚合物，如聚氧化乙烯（PEO）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚丙烯酸酯（PA）等；基于乙烯基的，如聚乙烯醇（PVA）。

（2）VEAs作用机理

增黏剂作用机理与聚合物的种类、浓度有关。对于welan胶和纤维素醚衍生物，作用机理可以分为以下三种：

①吸附作用。长链聚合物分子吸附了周围的水分子，这种对拌和水分子的吸附和固定促进了大分子的扩展。从而增加了拌和水的黏度和水泥基产品的黏度。(https://www.chuimin.cn)

②联合（association）。邻近聚合物分子链的分子能产生吸引力，进一步阻止水分子的移动，导致凝胶体的产生和体系黏度的升高。

③缠绕（intertwining）。在低剪切条件下，尤其是高黏度，聚合物分子链相互缠绕，使表观黏度上升。这种缠绕可以被分散开来，在高剪切速率情况下，聚合物分子链能在剪切方向上取向，表现出剪切变稀的行为。

（3）纤维素衍生物增黏剂应用

Welan胶是目前性能最好的增黏剂之一，它是一种微生物源的多糖物质，其生产工艺过于复杂，掺量较高，而且价格昂贵，难以推广。纤维素衍生物类的增黏剂以其自身特性跻身于其中，成为不可忽略的一个大类，其出色的价格竞争力以及结构可变化性突出，可根据需要改变取代基团、改变分子量、改善亲水性等结构上的优势是其他种类增黏剂所不具有的。

有专利称，乙基羟乙基纤维素（ethylhydroxyethyl celluloses,MHEC）、甲基羟丙级纤维素（methylhydroxypropyl celluloses,MHPC）、羟乙基纤维素（hydroxyethyl celluloses,HEC）、乙基羟乙基纤维素（ethylhydroxyethyl celluloses,EHEC）、甲基羟乙基纤维素（methylethylhydroxyethyl celluloses,MEHEC）、乙基羟乙基纤维素疏水化改性物（hydrophobically modified ethylhydroxyethyl celluloses,HMEHEC），以及疏水化改性羟乙基纤维素（hydrophobically modified hydroxyethyl celluloses,HMHEC）等，均可以制备水泥挤出砂浆，而且制品的抗龟裂性能得到显著改善，保水增黏性能大大提高。其他的常见的几种纤维素改性物如羧甲基纤维素（carboxymethyl cellulose,CMC）、羟乙基纤维素（HEC）、羟丙基纤维素（HPC）及纤维素混合醚被用作增黏剂，被用来改善水下施工混凝土或保水砂浆性能。

水溶性纤维素醚水溶液的浓度、环境温度、体系pH值、添加剂的化学性质及搅拌速率都会影响其溶液凝胶温度和黏度，特别是水泥制品都是碱性环境的无机盐溶液，通常会降低纤维素衍生物水溶液的凝胶温度和黏度，给使用带来不利影响。因此根据纤维素醚的特点应尽量在较低温度下（凝胶温度以下）使用，其次要考虑添加剂等的影响。有研究表明，水溶性纤维素衍生物的分子量对水泥复合材料的强度有明显影响，随分子量的提高，相同掺量下复合材料的强度呈下降趋势，且随掺量的增加，缓凝现象逐渐严重。纤维素醚除了可保证干拌砂浆优异的保水性这一最基本的特性之外，还可用改性纤维素醚优化砂浆工作性和改善硬化砂浆性能，纤维素衍生物，如羟乙基甲基纤维素就能明显改善水泥砂浆的孔结构。

水溶性纤维素醚的合成及在建材中的应用

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