用于矿物结合建筑材料体系的甲基羟丙基纤维素(MHPC)

摘要

本发明涉及甲基羟丙基纤维素(MHPC)的制备，以及其在矿物结合建筑材料体系中的应用，优选在石膏结合建筑材料体系中的应用，特别优选在石膏机制膏料中的应用。

说明书

本发明涉及甲基羟丙基纤维素(MHPC)的制备，以及其在矿物结合建筑 材料体系中的应用，优选在石膏结合建筑材料体系中的应用，特别优选在 石膏机制膏料(gypsum machine plaster)中的应用。

由纤维素醚构成的物质的种类，包括具有商用成分甲基羟乙基纤维素 (MHEC)和甲基羟丙基纤维素(MHPC)的二元烷基羟烷基纤维素组成的组， 几十年来已经成为普遍和工业化的活跃领域，并且已经被广泛描述。对化 学式和生产原理(生产方法和生产步骤)以及材料名单和各种衍生物的性质 和潜在用途的描述的概述例如在下列文献中给出：Houben-Weyl，Methoden der Organischen Chemie，Makromolekulare Stoffe[有机化学方法，大分子物 质(Methods of Organic Chemistry，Macromolecular Substances)]，第四版，第 E 20卷，第2042页(1987)。商用甲基羟丙基纤维素在室温的水中形成粘 性溶液，并且在高于絮凝点的温度的热水中不溶。

烷基羟烷基纤维素的制备可以概述如下：在上游部-步骤中，优选用碱 性溶液实现纤维素原料的活化。其后，将形成的碱金属纤维素与相应的烯 化氧和氯代甲烷在强制条件下反应，过量使用的任何碱便利地被超化学计 量的氯代甲烷充分中和。在随后的纯化步骤中，将形成的盐和其它副产物 分离掉，优选通过用热水洗涤分离掉。

烷基取代度在纤维素醚化学中通常由DS描述。DS是对于每个葡糖酐 单元，取代的OH基团的平均数。甲基取代度例如指示为DS(甲基)或 DS(M)。

通常，羟烷基取代度由MS描述。MS是对于每摩尔的葡糖酐单元， 以醚-样方式结合的醚化试剂的摩尔平均数。通过醚化试剂氧化丙烯的醚化 度因此被称为MS(羟丙基)或MS(HP)。

通过用热水洗涤得到的、没有副产物并且含水量通常＞50％的蒸馏水 润湿的纤维素醚通过干燥和研磨而转化成可售形式，适当时，在进一步的 预处理(调节处理)以后而转化成可售形式。纤维素醚优选以含水量为约1 至10重量％的粉末或颗粒形式投入到市场上。

纤维素醚作为增稠剂和保水剂被用于建筑材料体系，例如，诸如手工 和机制膏料、填充化合物、瓷砖粘合剂、喷注(air-placed)混凝土材料、可 流动地面材料、水泥挤出物和乳胶漆。

这些建筑材料体系的性质，特别是稠度和沉降行为，可能极大地受纤 维素醚的选择的影响。

特别是在石膏结合建筑材料体系，即已经向其加入了水的含石膏原始 混合物中，经常观察到团块或球粒，其在最不利的情况下可以导致不规则 性和沟槽，并且至少导致归因于密集的二次加工的延迟。

已经进行了通过结合掺加剂来消除这些问题中的一些的尝试。因而， WO 99/64368公开了一种添加剂混合物，其主要包含纤维素醚和少量的聚 合羧酸，以及少量的甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯均-或共聚物。不幸的是，此 添加剂混合物的制备复杂，需要另外的混合单元并且不总是导致团块减 少。此外，水性羧酸溶液的使用可以导致纤维素醚的pH诱导的链降解。

对于无筛高速冲击式磨机中的磨机干燥，根据现有技术提出了通过形 成(establishing)要研磨材料的高水分含量而充分分解纤维结构。例如归因 于高的含水量而导致的在纤维结构的损失的情况下纤维素醚的完全凝胶 化(比较，GB 2262527A，第8页，第19行)是不期望的并且可以导致石膏结 合建筑材料体系中的附聚。DE 3839831描述了在安置有摩擦元件的筛式 磨机中，具有未知取代度的团块或絮-样MHPC的磨机干燥。所述两个公 开都没有揭示如何能够减少石膏结合建筑材料体系中的附聚。

因此，本发明的一个目的是提供纤维素醚，所述的纤维素醚改进矿物 结合建筑材料体系的加工性质，特别是有效减少石膏结合建筑材料体系中 的团块形成，例如优选为石膏机制膏料中的团块形成，及其不与以上所述 缺点相关的纤维素醚的制备。

令人意外地，如果使用具有一定DS(甲基)和一定MS(羟丙基)的甲基 羟丙基纤维素(MHPC)，所述甲基羟丙基纤维素在要研磨的材料的一定水 分含量范围内被研磨，则此目的得以实现。

因此，本发明涉及一种用于制备磨机干燥的甲基羟丙基纤维素(MHPC) 的方法，其中，将作为进料材料的、DS(甲基)为1.50至2.1、MS(羟丙基) 为0.40至1.5并且含水量为25至60重量％的水-和任选醇-润湿的甲基羟 丙基纤维素进行磨机干燥。

根据本发明将要使用的甲基羟丙基纤维素的DS(甲基)优选为至少 1.55，特别优选为至少1.58，并且非常特别优选为至少1.60。

典型选择DS(甲基)的上限使得产物在室温的水中可溶，优选不大于2.0 并且特别优选不大于1.9。

MS(羟丙基)的下限优选为0.45，特别优选为0.50，并且非常特别优选 为0.6。MS(羟丙基)的上限优选为1.35并且特别优选为1.2。

DS和MS的确定通过本领域技术人员已知的蔡泽尔法实现，所述蔡泽 尔法描述例如于P.W.Morgan，Ind.Eng.Chem.Anal.Ed.18(1946)500-504 和R.U.Lemieux，C B.Purves，Can.J.Res.Sect.B25(1947)485-489中。

不管水分的程度如何形成，在根据本发明的方法中将要使用的甲基羟 丙基纤维素具有的水总比例优选小于56重量％，特别优选小于49重量％， 并且非常特别优选小于42重量％。要研磨的甲基羟丙基纤维素的总含水量 优选为至少30重量％，特别优选为至少33重量％，并且非常特别优选为 至少37重量％。

对于本发明必不可少的甲基羟丙基纤维素可以通过纤维素与氯代甲烷 和氧化丙烯反应，随后用热水纯化，例如以通常水-润湿的滤饼或离心残留 物的形式得到。甲基羟丙基纤维素的反应和纯化根据现有技术实现，例如 如在EP 0632056中公开的，在具有后续超滤的离心机或旋液分离器中。 在一种优选的纯化方法中，使用旋转压力过滤器，如在例如EP-B 1652860 中描述的。

例如，在根据本发明的磨机干燥之前，可以将添加剂、改性剂或另外 的水加入到水-润湿的滤饼中。水润湿的滤饼可以例如被冷却或机械压紧。 滤饼优选不被冷却；特别优选地，滤饼在引入到根据本发明的方法之前的 温度不低于30℃，非常特别优选不低于40℃。

通过将具有不同含水量的两种以上的甲基羟丙基纤维素彼此混合使得 导致在本发明的范围内的水分含量，优选实现所使用的上述类型的甲基羟 丙基纤维素的水分含量。

优选的是，用于水分调节的所述两种以上的甲基羟丙基纤维素中的至 少一种的水分含量为0.1至15重量％。

此外优选的是，用于提供进料材料的所述两种以上的甲基羟丙基纤维 素中的至少一种的含水量小于62重量％但是至少40重量％，优选大于44 重量％。

因此，本发明还涉及一种用于制备要研磨的材料并且磨机干燥纤维素 醚的方法，其中

a)通过混合不同水分含量的纤维素醚制备具有一定含水量的进料材 料，所述进料材料随后

b)在研磨设备中被同时粉碎和干燥。

在用于调节对于本发明必不可少的水分含量的多种甲基羟丙基纤维素 的混合的情况下，所述混合可以以多种方式实现。优选将如在MHPC的工 业生产中得到的滤饼与已经磨机干燥的MHPC的粉末或颗粒混合，从而获 得根据本发明所需的水分含量。

这优选在磨机干燥设备的研磨室外进行。混合可以例如在商购的混合 机或输送螺杆中进行。保证充分彻底混合的混合构件和/或输送螺杆优选存 在于加入位置和磨机之间。

水-润湿的甲基羟丙基纤维素滤饼优选经由计量装置以对准目标的方 式与已经磨机干燥的产物混合。已经磨机干燥的产物可以完全地或部分地 包含，但是优选部分地包含在研磨过程中得到的筛上料(oversize)，其被连 续或间歇计量加入到任选调节处理过的水-润湿的滤饼中。干燥并研磨的纤 维素醚粉末或颗粒的加入量不取决于得到的筛上料的量，而是取决于要形 成的组合物的所需的总水分含量。

如果在根据本发明的方法中将要使用的甲基羟丙基纤维素的水分含量 通过具有不同水分含量的两种以上的甲基羟丙基纤维素的上述混合得到， 则与具有相同水分含量的甲基羟丙基纤维素相比，润湿的产物的流动性更 好，所述具有相同水分含量的甲基羟丙基纤维素的含水量通过另一种方 法，例如通过部分干燥或持续压力过滤形成。结果，通常减少设备中的堵 塞和结块。

如作为在通过热水纯化MHPC以后的残留物(滤饼或离心机残留物)得 到并且如用于提供如上所述的进料材料的甲基羟丙基纤维素，通常具有小 于62重量％，特别优选小于55重量％，特别优选小于50重量％的含水量。 在每一种情况下基于润湿的纤维素醚的总质量，水的最小含量通常为至少 40重量％，优选大于42重量％，特别优选大于44重量％。

特别优选地，以如下方式与粉碎同时地实现含水量的减少：在磨机入 口和出口之间的基于总质量的以重量％计的含水量之间的差别大于10重 量％，优选大于20重量％，特别优选大于35重量％。非常特别优选地， 如果不混入纤维素醚粉末或颗粒，则所述差别大于38重量％。

用于纤维素醚的同时粉碎和干燥的方法例如由GB 2262527、 DE 3839831、EP 1127910和EP 1127895的教导已知。可以使用各种磨 机类型，例如销盘磨机(pinned-disk mills)、球磨机、锤磨机、筛磨机、锤 棒磨机和冲击式磨机。在粉碎设备中，干燥的效果优选由气体或气体混合 物的使用支持，所述气体或气体混合物被加热到高于40℃，优选高于80 ℃，特别优选高于100℃的温度。磨机干燥以后可以进行另外的研磨和/ 或干燥步骤。然而，优选地，研磨在一个级段中实现，并且使用的磨机为 无筛(screenless)高速冲击式磨机。

在研磨和干燥阶段以后，可以将产物流分级，并且将筛上料完全或部 分地间歇或连续循环到所述方法中。

在根据本发明的方法以后，所得到的甲基羟丙基纤维素粉末的残留水 分含量为0.1至15重量％，优选为1至10重量％，特别优选为1.5至7重 量％。

本发明另外涉及可通过根据本发明的方法得到的甲基羟丙基纤维素。

根据本发明的甲基羟丙基纤维素优选具有下列分级曲线(curve)：

  筛底料   百分比   ＜315μm   95至100   ＜250μm   90至100   ＜200um   80至100   ＜160μm   70至99.9   ＜125μm   50至95   ＜100μm   30至90   ＜63μm   10至70

可根据本发明得到的产物用Haake Rotovisko在2.55s^-1在23℃的水作 为2重量％的水溶液测量的粘度优选为10至200000mPa·s，特别优选为 100至150000mPa·s，并且非常特别优选为约1000至100000mPa·s，尤 其为10000至80000mPa·s。

在松散床(loose bed)上测量的所述产物的堆积密度优选为200至700 g/l，特别优选为250至650g/l，并且非常优选为300至600g/l。

与现有技术的其它甲基羟丙基纤维素相比，根据本发明的甲基羟丙基 纤维素的区别具体在于，它们导致矿物结合建筑材料体系的改进的加工性 质，具体地，特别是石膏结合建筑材料体系例如优选石膏机制膏料中很少 形成团块。

因此，本发明另外涉及根据本发明的甲基羟丙基纤维素在矿物结合建 筑材料体系中的应用，优选在石膏结合建筑材料体系中的应用，并且特别 优选在石膏机制膏料中的应用。

在每一种情况下基于矿物结合建筑材料体系的干的质量，甲基羟丙基 纤维素典型以0.01至5重量％，优选0.1至0.8重量％，并且特别优选0.2 至0.4重量％的量使用。

在根据本发明的建筑材料体系中，除纤维素醚、矿物粘合剂和水以外， 例如但是不仅有地可以存在下列成分：

·消石灰            0-30重量％

·矿物添加剂        0-30重量％

(例如，石英砂、石灰石砂、石灰石砂砾、石灰石粉末、云母)

·轻质骨料          0-20重量％

(例如，珍珠岩)

·塑料分散粉末      0-20重量％

·纤维              0-2重量％

(例如，纤维素纤维)

·促进剂            0-0.8重量％

·添加的增稠剂      0-0.5重量％

(例如，淀粉衍生物和瓜耳胶衍生物、合成增稠剂、聚丙烯酰胺、聚乙 烯醇)

·阻滞剂    0-0.5重量％

·加气剂    0-0.1重量％

在矿物结合建筑材料体系中，水/固体比率优选为0.3至0.9，特别优选 为0.4至0.8。

本领域技术人员已知的是，通常可以将甲基羟丙基纤维素并非单独用 于配方中，而是与多种添加剂和/或改性剂一起用于配方中。因而，例如可 以将具有少量下列助剂或添加剂的甲基羟丙基纤维素用于建筑材料原始 混合物中：例如，消泡剂、溶胀剂、填料、轻质骨料、聚丙烯酸酯、聚丙 烯酰胺类、加气剂、分散剂、抗水剂、增塑剂、超吸收剂、稳定剂，以及 合成、半合成和天然增稠剂。

实施例

除非另外指出，所有所述的百分数都基于重量。

实施例1

将DS(甲基)＝1.64、MS(羟丙基)＝0.96并且基于水润湿的滤饼的含水量 为45％的水润湿的滤饼，在用热水洗涤以后润湿至55％的含水量，并且分 成4份。润湿的滤饼以颗粒形式存在。在卧式混合机中，将第2至4份与 以相同方式研磨的、包含具有相同的取代度的甲基羟丙基纤维素的纤维素 醚粉末混合，使得产生水分含量为48、42和35重量％的磨机材料。

其后，将混合物在无筛高速喷气旋转磨机中粉碎和干燥，所述无筛高 速喷气旋转磨机具有垂直的驱动轴和7个碾磨轨道，所述7个碾磨轨道配 备有对着成形相对碾磨轨道工作的冲击板。使用的干燥和输送气体是氮 气，其在不同的点供给到气体循环。

位于磨机下游的是其中沉淀主要比例的精细研磨产物的旋风分离器。 然后在下游袋式过滤器中将气体流脱除残留尘末。

布置在纯气体侧的是径流式风扇，其将无尘末的气体流运送到热交换 器中，在所述热交换器中，输送气体被加热到所需的干燥温度并且最终送 回到磨机中。在布置在旋风分离器之后的气体洗涤器中，将在磨机之前的 循环气体中的水蒸气部分从循环气体移去，从而维持富含氮的载气组成。

过量的循环气体经由阀门从气体循环中排放。

  实验   (C＝比较；I＝发明)   I1   I2   I3   I4   调节处理过的滤饼的水分，重   量％   55   55   55   55   研磨的纤维素醚与滤饼的混   合   否   是   是   是   将要研磨的材料的总水分，重   量％   55   48   42   35   以％计的产物水分   1.55   1.65   1.43   1.42   以g/l计的堆积密度   349   379   405   425   筛下料＜63μm，％   28.06   24.32   25.97   28.74   以mPa.s计的粘度V2绝干   32680   33150   31940   31070

实施例2

将DS(甲基)＝1.64、MS(羟丙基)＝0.97并且基于水润湿的滤饼的含水量 为44.5％的水润湿的滤饼，在用热水洗涤以后润湿至48％的含水量，并且 分成3份。润湿的滤饼以颗粒形式存在。在水平混合机中，将第2和3份 与以相同方式研磨的、包含具有相同的取代度的甲基羟丙基纤维素的纤维 素醚粉末混合，使得产生水分含量为39和35重量％的磨机材料。

  实验   (C＝比较；I＝发明)   I5   I6   I7   调节处理过的滤饼的水分，重   量％   48   48   48   研磨的纤维素醚与滤饼的混   合   否   是   是   针要研磨的材料的总水分，重   量％   48   39   35   以％计的产物水分   1.25   1.38   1.17   以g/l计的堆积密度   405   434   468   筛下料＜63μm，％   37.8   32.9   40.6   以mPa.s计的粘度V2绝干   35700   34700   35980

实施例3

制备DS(甲基)为1.64-1.67并且MS(羟丙基)为0.93-1.02的MHPC并 且将其用热水洗涤纯化，并且用水将得到的滤饼调节至各种水分含量。然 后对调节处理过的滤饼进行如实施例1中所述的磨机干燥。以2重量％水 溶液形式测量的产物的粘度为57600-60200mPa·s。将此产物用于轻质石 膏机制膏料用原始混合物(来自Schwenk)中并且经由涂膏机涂敷到壁上。 在膏料的加工期间，评价团块形成。

  实验   (C＝比较；I＝发明)   I8   I9   C1   C2   调节处理过的滤饼的   水分，重量％   48.5   60   64   68   团块形成   非常少   少   显著   显著   堆积密度，g/l   451   361   314   353

其中喷射样品的实验显示，通过减少颗粒的水分含量，可以实现团块 形成的减少。

实施例4

制备具有1.75或1.77的可比较DS(甲基)以及不同的MS(羟丙基)的两 份MHPC并且将其用热水洗涤纯化，并且用水将得到的滤饼调节至48重 量％的水分含量。然后对调节处理过的滤饼进行如实施例1中所述的磨机 干燥。以2重量％水溶液形式测量的产物的粘度为49400-56000mPa·s。 将此产物用于石膏机制膏料用基本混合物中并且经由涂膏机涂敷到壁上。 在膏料的加工期间，评价团块形成。

  实验   (C＝比较；I＝发明)   I10   C3   DS(甲基)   1.75   1.77   MS(羟丙基)   0.51   0.29   团块形成   少   显著   调节处理过的滤饼的   水分，重量％   48   48   堆积密度，g/l   351   139

在喷射实验中，具有低MS(羟丙基)的样品显示了极为显著的团块而与 颗粒的水分含量无关，而根据本发明的样品具有更不显著的团块形成。

实施例5

在类似于实施例4的喷射实验中，测试3种MHPC。首先，通过将含 水量为55重量％的调节处理过的水-润湿的滤饼与干燥并研磨的纤维素醚 粉末混合，形成要研磨的材料的48％的水分含量。掺加的纤维素膜粉末由 具有与要研磨的材料相同组成的预先研磨的产物构成。与实施例1类似， 将所制备的样品研磨并干燥(其为来自实施例1实验I2的纤维素醚)。

从水分为62％的滤饼制备另外的MHPC，如上所述，所述水分为62％ 的滤饼被与要研磨的材料相同的纤维素醚粉末调节至48％水分含量的要 研磨的材料。

在不加入纤维素醚粉末或颗粒的情况下，通过研磨并干燥水分为48 重量％的调节处理过的滤饼，制备另外的样品(其为来自实施例2实验I5 的纤维素醚)。

发现，通过混合滤饼和纤维素醚粉末或颗粒制备的甲基羟丙基纤维素 不太粘，并且如果滤饼的初始水分含量不太高，则允许工具的更好滑动。 如果初始水分含量过高，则即使通过与纤维素醚粉末混合也不能获得良好 的可加工性。

  实验   (C＝比较；I＝发明)   I11   I12   C4   DS(甲基)   1.64   1.64   1.64   MS(羟丙基)   0.97   0.96   0.98   调节处理过的滤饼的水分，   重量％   48   55   62.5   研磨的纤维素醚与滤饼的混   合   否   是   是   将要研磨的材料的总水分，   重量％   48   48   48   团块形成   非常少   非常少   极为显著   粘性   良好   非常轻微   良好

实施例6

将来自DS(甲基)为1.41并且MS(羟丙基)为0.94的MHPC制备的反应 混合物在反应以后悬浮在热水中并且过滤。移除的滤饼是块状的并且部分 溶解，并且未充分脱除NaCl。

重复实验，不同之处在于使用DS(甲基)为1.64并且MS(羟丙基)为0.97 的MHPC。产生的滤饼可以在没有部分溶解滤饼的情况下被纯化。