干混砂漿用纖維素醚溶液的黏度測試方法探討

歐志華，毛泰威，劉錫軍，王 彥

（1. 湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007 ；2. 湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201）

干混砂漿用纖維素醚溶液的黏度測試方法探討

歐志華1,2，毛泰威1，劉錫軍2，王 彥2

（1. 湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007 ；2. 湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201）

黏度是干混砂漿行業選擇纖維素醚的最基本指標，測試纖維素醚溶液的黏度時，存在纖維素醚溶液不均勻、溶液內存在氣泡和溶液內溫度不一致等問題。通過配制MC、HEMC、HPMC和HEC 4種常見的非離子纖維素醚溶液，分析了影響纖維素醚溶液黏度測量結果的因素，包括分散、冷卻、攪拌、補水、恒溫和黏度測試6個方面，進而提出了測試纖維素醚溶液黏度時需要注意的環節，包括選擇容器的尺寸大小、纖維素醚粉末的分散方式、攪拌速度、停止攪拌的時間和恒溫時間等，以保證纖維素醚溶液黏度測試結果的可靠性。

干混砂漿；纖維素醚；黏度；測試

1 研究背景

纖維素醚是天然纖維素通過醚化工藝合成的高分子化合物，即纖維素分子中的2, 3, 6位C原子上的羥基被醚基團部分甚至完全取代后的化合物（見圖1）。纖維素醚是一種優良的增稠劑和保水劑，近年來被廣泛地用于干混砂漿中，應用最為廣泛的是一些非離子纖維素醚，包括甲基纖維素醚（methyl cellulose，MC）（圖2a）、羥乙基纖維素醚（hydro-xyethyl cellulose，HEC）（圖2b）、羥乙基甲基纖維素醚（hydroxyethyl methyl cellulose，HEMC）（圖2c）和羥丙基甲基纖維素醚（hydroxypropyl methyl cellulose，HPMC）（圖2d）。它們的醚基團各不相同，其中MC、HEMC和HPMC的分子結構中都含有甲基，有時習慣將這3種纖維素醚統稱為甲基纖維素醚，在實際應用中，應注意與只含甲基的纖維素醚（MC）區別開來。目前，建筑行業是我國非離子纖維素醚的最大消費領域，它被廣泛用于干混砂漿等建筑材料中[1]。

圖1 纖維素和纖維素醚的分子結構Fig.1 Molecular structure of cellulose and cellulose ether

圖2 干混砂漿中常用纖維素醚的分子結構Fig. 2 Molecular structure of frequently-used cellulose ether in dry-mixed morta

具有增稠作用是纖維素醚在干混砂漿中得到廣泛應用的一個重要原因。纖維素醚能夠賦予濕砂漿優良的黏稠性，顯著增加濕砂漿與基層的黏結能力，提高砂漿的抗下垂性能，因而被廣泛地用于抹面灰漿、面磚粘結砂漿和外墻外保溫系統中。纖維素醚的增稠效果還可以增加新拌水泥基材料的勻質性和抗分散能力，防止砂漿和混凝土的分層、離析和泌水，可用于水下混凝土和自密實混凝土中[2-3]。

黏度是評價纖維素醚增稠效果的一個重要指標，它是指一定濃度（如質量分數為2%）的纖維素醚溶液，在規定的溫度（如20 ℃）和剪切速率（或旋轉速率，如20 r/min）條件下，用規定的測量儀器（如旋轉黏度儀）測得的黏度值。相同條件下，纖維素醚的黏度越高，其改性水泥基材料的黏稠性越大。除增稠效果外，黏度指標還能夠反映纖維素醚的保水性和其分子屬性，相同條件下，纖維素醚溶液的黏度越高，其保水性能越好[4]，分子量越大[5]。因此，黏度往往成為干混砂漿行業選擇纖維素醚的最基本指標，纖維素醚溶液的黏度測試對纖維素醚的應用具有重要意義。

目前，研究纖維素醚溶液黏度測量方法的文獻并不多，在我國只有一些標準和專著中規定了纖維素醚溶液黏度的測試方法[6-7]。已有纖維素醚溶液黏度的測試方法基本相似，對于含有甲基的纖維素醚（MC、HPMC、HEMC），都是按2%的質量分數配制纖維素醚溶液，并且在80～90 ℃的熱水中進行攪拌分散，進而經過冰浴攪拌、靜置、補水、恒溫等過程之后，使用黏度計進行測量所得。對于HEC，則是在常溫下攪拌，并且經過靜置、恒溫等處理過程后，使用黏度計測量所得。整個測量時間為1～2 h。但由于干混砂漿用纖維素醚的黏度通常比較高，在實際的黏度測量中，按照這些方法測量纖維素醚溶液的黏度時，經常會出現纖維素醚溶液不均勻、溶液內存在氣泡和溶液內溫度不一致等問題，導致測試數據非常離散。因此，本文針對這些問題，探討了MC、HEMC、HPMC和HEC這4種纖維素醚溶液的黏度測試方法。

2 纖維素醚溶液的配制方法

配制出均勻穩定的纖維素醚溶液是準確測試纖維素醚溶液黏度的第一步。干混砂漿用纖維素醚一般呈粉末狀，因而在水中的溶解速率很快。纖維素醚粉末與水接觸時會迅速溶解而在顆粒外表面產生黏性，顆粒之間會因此粘連成團（如圖3a），阻止水向顆粒內部擴散，從而阻礙溶解過程的繼續進行，即使是強力攪拌也無濟于事，且強力攪拌還會在溶液中引入大量氣泡。成團和引入氣泡的纖維素醚溶液在常溫下往往需要靜置12 h甚至更長的時間，才能獲得均勻穩定的溶液。為了盡快獲得均勻穩定的纖維素醚溶液，對于不同的纖維素醚，在配制溶液時需要采取不同的配制方法。

2.1 含甲基纖維素醚溶液的配制

含甲基纖維素醚是指分子中含有甲基的纖維素醚，如MC、HEMC和HPMC。因甲基具有疏水性，使得含甲基類纖維素醚溶液都具有熱致凝膠性[7]，即它們不溶于溫度高于其凝膠溫度（約60～80 ℃）的熱水。為避免該類纖維素醚溶液配制時成團，可以將水加熱到其凝膠溫度以上，約80～90 ℃，然后將纖維素醚粉末加入熱水中，攪拌使其分散（如圖3b），持續攪拌并且冷卻至設定溫度，即可配制成均勻的纖維素醚溶液。

圖3 未表面處理的含甲基纖維素醚的溶解性能（t=2 min）Fig. 3 Dissolution performance of non-surface treated methyl containing cellulose ether （t=2 min）

為了避免纖維素醚在溶解過程中出現成團結塊現象，生產廠家有時會對粉末狀的纖維素醚產品進行化學表面處理，以使其能夠延遲溶解。對于纖維素醚的表面處理，一般采用二醛（如乙二醛、戊二醛等）作為交聯劑，使一分子二醛與纖維素醚分子上的2個自由羥基反應，形成半縮醛，從而使纖維素醚適度交聯。這種交聯產物不溶于水，與水開始接觸的時候，僅有少量的潤脹，然后以穩定的速率水解直至交聯鍵被破壞，之后，纖維素醚快速溶解，黏度急劇增大。

經過表面處理而具有延遲溶解性能的纖維素醚，其溶解過程發生在纖維素醚完全分散之后，因而可以直接分散在pH值為中性的冷水中而不成團（見圖4a）。不過，在配制這類纖維素醚溶液的過程中，必須持續攪拌以加快表面物質的溶解，否則，纖維素醚顆粒表面潤脹后會沉淀到容器的底部，很長時間也不能得到均質的溶液。

溶液的pH值為4～5時，半縮醛結構最穩定，因此不宜將pH值調整在這個范圍內，因為這會延長纖維素醚的溶解時間至幾個小時。溶液的pH值越高，具有延遲溶解性能的纖維素醚的溶解時間越短，調節溶液pH值至較高，堿性會消除纖維素醚的延遲溶解性，導致纖維素醚溶解時成團（見圖4b），所以，應該在纖維素醚完全分散之后再提高或降低溶液的pH值。升高溫度有利于提高纖維素醚的水解速率，但溫度過高和pH值過低時，半縮醛會變為縮醛而產生不可逆的交聯，導致纖維素醚徹底成為不溶物。

圖4 經表面處理的含甲基纖維素醚的溶解性能（t=2 min）Fig. 4 Dissolution performance of surface treated methyl containing cellulose ether (t=2 min)

2.2 羥乙基纖維素醚溶液的配制

羥乙基纖維素醚（HEC）溶液沒有熱致凝膠的性質，因此，未經表面處理的HEC在熱水中也會成團結塊。生產廠家一般會對粉末狀的HEC進行化學表面處理而使其能夠延遲溶解，使其可以直接分散在pH值為中性的冷水中而不成團（見圖5a）；同樣，在堿性較高的溶液中，HEC也會因為延遲溶解性消失而成團（見圖5b）。

圖5 經表面處理的HEC的溶解性能（t=2 min）Fig. 5 Dissolution performance of surface treated HEC （t=2 min）

值得說明的是，在干混砂漿中，纖維素醚的摻量相對較少，水泥、砂或其它顆粒會將纖維素醚粉末分散開來，纖維素醚微粒會均勻地分布于干混砂漿中，因此不存在溶解成團的問題，只要混合均勻即可。并且，由于水泥水化后漿體呈堿性，溶液的pH值在12～13之間，經過表面處理的纖維素醚在水泥漿中的溶解速率也很快。

3 影響纖維素醚溶液黏度測量結果的因素分析

1）分散過程。如第2節所述，對未經延遲溶解處理的含甲基纖維素醚采用在熱水中不斷攪拌的分散方式；對經延遲溶解處理的含甲基纖維素醚和羥乙基纖維素醚，可以采用在冷水中不斷攪拌的分散方式，但由于纖維素醚的表面處理物質在冷水中溶解很慢，在熱水中溶解較快，為了避免表面處理物質因為溶解慢而對試驗時間產生不利影響，統一試驗條件，對經延遲溶解處理的含甲基纖維素醚和羥乙基纖維素醚，建議最好使用熱水配制。有些含甲基的纖維素醚，其熱致凝膠的溫度可能超過80 ℃，為確保纖維素醚溶解時不成團，配制溶液的熱水溫度應為90 ℃以上。

2）冷卻過程。現行的標準規定，在熱水中分散的纖維素醚，要在冰浴中攪拌冷卻，其冷卻速度很快。但在黏度測試過程中發現，當靠近容器壁周邊的纖維素醚首先溶解形成一定黏度并逐漸變稠后，容器中間的纖維素醚溶解會滯后，即使繼續攪拌也難以使容器中間與容器壁周邊的纖維素醚溶液一起形成均勻溶液。因此，在熱水中分散的纖維素醚，不宜在冰水中冷卻，而應該在環境溫度下攪拌冷卻，以降低冷卻速度，這需要延長試驗時間。

3）攪拌過程。纖維素醚加入熱水中后，一定要持續攪拌，不能停止，否則纖維素醚粉末會沉淀聚集，待水溫降低至凝膠溫度以下后，仍然會粘連成團。當水溫降至凝膠溫度以下（對未經延遲溶解處理的含甲基纖維素醚），或者表面處理的交聯劑水解以后（對經延遲溶解處理的纖維素醚），纖維素醚會開始溶解，溶液會逐漸變黏稠，此時應該降低攪拌速度，輕輕攪拌，并注意觀察，若纖維素醚不會在水中產生沉淀和分層，則應停止攪拌。因為溶液達到一定的黏度后，纖維素醚大分子已經受到周邊纖維素醚分子的約束，繼續攪拌并不會使溶液更均勻。同時，纖維素醚是一種表面活性劑，若攪拌過快或者溶液達到一定的黏度后繼續攪拌，溶液會產生大量的氣泡（見圖6）。而且，干混砂漿用纖維素醚的黏度比較高，當其質量分數為2%時，溶液非常黏稠，產生的氣泡很難排出，往往需要靜置10 h以上，氣泡才慢慢上浮到表面破滅、消失。

圖6 纖維素醚溶液中的氣泡Fig. 6 Air voids in cellulose ether solution

4）補水過程。纖維素醚和水的質量要計量準確，盡量不要等溶液達到較高黏度后再去補水，因為此時補充的水難以在短時間內與原來黏稠的溶液再次形成均勻的溶液。當以熱水配制纖維素醚溶液時，由于溫度高水蒸發較快，需要補水，且應該在溶液開始形成黏度的時候進行。

5）恒溫過程。當纖維素醚溶液在空氣中冷卻并形成穩定的溶液后（此時溶液的顏色均勻），應將容器恒溫水浴（通常是20 ℃），以測量溶液在規定溫度下的黏度。與其它流體一樣，纖維素醚溶液的黏度對溫度非常敏感，測量時的溫度一定要精確。已有研究表明，溫度升高，測得的纖維素醚黏度會降低[8]。干混砂漿用纖維素醚溶液在其質量分數為2%時，往往非常黏稠，水浴時不易產生對流，傳熱能力較差。當溫度接近規定溫度時，由于溫差太小，傳熱能力更差，根據筆者的經驗，恒溫時間需要2 h左右，才能使容器周邊和中心的溫度一致。而實際測量黏度時，總的操作時間常只有1～2 h，其中冰浴時間就需要40 min，恒溫時間往往不足30 min，因而靠近容器壁的溫度能夠達到要求，而容器中心的溫度達不到要求，影響測量結果。

6）黏度測試。由于纖維素醚溶液具有觸變性，測試其黏度時，旋轉黏度計的轉子插入溶液中時會擾動溶液，影響測量結果。因此，轉子插入溶液后，應該靜置一段時間（如5 min）后再進行測試。此外，若轉子的轉動時間延長，則讀數會逐漸變小，因此測試過程中，讀數的時間要統一，如規定啟動轉子10 s后開始讀數。纖維素醚溶液黏度的測試結果受溫度、濃度、轉速和測量方法的影響很大，因此，纖維素醚生產廠家在注明黏度的同時，應該注明黏度的測量方法。此外，為了消除黏度測量中的末端效應[9]，還應該規定容器的大小。

4 結論

根據以上分析，測試干混砂漿用纖維素醚溶液的黏度時，應該遵循以下幾點：

1） 統一測試容器的尺寸大小；

2） 對未經延遲溶解處理的含甲基纖維素醚，采用在熱水中不斷攪拌分散的方式，且水的溫度應在90 ℃以上；

3）對經延遲溶解處理的含甲基纖維素醚和羥乙基纖維素醚，可以采用在冷水中不斷攪拌分散的方式，也可以使用熱水配制；

4）在熱水中分散的纖維素醚，不宜在冰水中冷卻，而應該在環境溫度下攪拌冷卻；

5）控制分散時的攪拌速度，使用熱水分散配制纖維素醚溶液的冷卻過程中，當溶液開始形成黏度并不會再產生沉淀時，應立即停止攪拌，避免溶液中產生氣泡；

6）以熱水配制纖維素醚溶液的補水，應在溶液開始形成黏度時進行；

7）溶液冷卻至顏色均勻時，應將溶液放入恒溫槽中恒溫至規定溫度（如20 ℃），誤差為±0.1 ℃，恒溫時間不小于2 h；

8）測量纖維素醚的黏度時，應將旋轉黏度計的轉子插入溶液中至規定深度，靜置5 min后，用黏度計測定其黏度，黏度的測試結果應注明溫度、濃度、轉速和測量方法。

[1]卜新平. 我國纖維素醚產業發展策略研究[J]. 化學工業，2014，32(1) ：11-17. Bu Xinping. Market Situation and Forecast of Cellulose Ether[J]. Chemical Industry，2014，32(1) ：11-17.

[2]歐志華，馬保國，騫守衛. 非離子纖維素醚在新拌水泥基材料中的作用及研究進展[J]. 硅酸鹽通報，2012，31 (1) ：96-98，110. Ou Zhihua，Ma Baoguo，Jian Shouwei. Effect of Non-Ionic Cellulose Ethers on Fresh Cement-Based Materials and Its Research Progress[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2012，31(1) ：96-98，110.

[3]騫守衛，馬保國，蘇 雷，等. 纖維素醚改性砂漿的研究進展[J]. 硅酸鹽通報，2011，30(3) ：560-566. Jian Shouwei，Ma Baoguo，Su Lei，et al. Research Progresses of Cellulose Ether-Modified Mortar[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2011，30(3) ：560-566.

[4]Johann Plank. Applications of Biopolymers and Other Biotechnological Products in Building Materials[J]. Applied Microbiology and Biotechnology，2004，66(1) ：1-9.

[5]Laetitia Patural，Philippe Marchal，Alexandre Govin，et al. Cellulose Ethers Influence on Water Retention and Consistency in Cement-Based Mortars[J]. Cement and Concrete Research，2011，41(1) ：46-55.

[6]全國水泥制品標準化技術委員會. JC/T 2190—2013建筑干混砂漿用纖維素醚[S]. 北京：中國建材工業出版社，2013：11-13. National Standardization Technical Committee of Cement Products. JC/T 2190—2013 Cellulose Ether for construction Dry-Mixed Mortars[S]. Beijing：China Building Materials Press, 2013 ： 11-13.

[7]邵自強. 纖維素醚[M]. 北京：化學工業出版社， 2007：246. Shao Ziqiang. Cellulose Ethers[M]. Beijing：Chemical Industry Press, 2007：246.

[8]李 卓，田瑞泓. 甲基纖維素、羧甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素溶液黏度的實驗研究[J]. 邵陽師范高等專科學校學報，1999，21(5) ：44-45. Li Zhuo，Tian Ruihong. Experimental Investigation of the Viscosity of the Solution of Methyl Cellulose , Carboxyl Methyl Cellulose Sodium and Hydroxyl Ethyl Cellulose[J]. Journal of Shaoyang Teachers College，1999，21(5) ：44-45.

[9]陳惠釗. 粘度測量[M]. 北京：中國計量出版社，2003：69-74. Chen Huizhao. Viscosity Test[M]. Beijing：China Metrology Press，2003：69-74.

（責任編輯：廖友媛）

Investigation on the Viscosity Test Method of Cellulose Ether Solution Used in Dry-Mixed Mortar

Ou Zhihua2, Mao Taiwei1, Liu Xijun2, Wang Yan2
( 1. School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China; 2. College of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China）

Viscosity is basic index of cellulose ether used in dry-mixed mortar. Some problems need to be solved when testing the viscosity of cellulose ether solution, which includes unhomogeneity of solution, air voids in solution and different temperature in solution. Through preparing four frequently-used non-ionic cellulose ether solutions of MC, HEMC, HPMC and HEC, analyzes the factors that influencing the viscosity test results of cellulose ether solutions, such as dispersal, cooling, mixing, water replenishing, constant temperature and viscosity test process, and advances some issues needed for attention in the process of testing the viscosity of cellulose ether solution so as to assure the dependability of viscosity test results of cellulose ether solution, which includes size of test container, dispersal mode of cellulose ether powder, mixing velocity, time of ceasing mixture and the time of constant temperature etc.

dry-mixed mortar；cellulose ether；viscosity；test

TV42+3

A

1673-9833(2015)03-0015-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.03.003

2015-02-15

湖南省建設廳科技計劃基金資助項目（C10108）

歐志華（1975-），男，湖南常寧人，湖南工業大學高級工程師，博士，主要從事建筑材料方面的研究，E-mail：zihiou@163.com