セルロースエーテルは、天然セルロースを化学修飾して合成したポリマーです。セルロースエーテルは天然セルロースの誘導体です。セルロースエーテルの製造は合成ポリマーとは異なります。その最も基本的な材料は、天然高分子化合物であるセルロースです。天然セルロースの構造の特殊性により、セルロース自体はエーテル化剤と反応する能力がありません。しかし、膨潤剤処理後、分子鎖と鎖間の強い水素結合が破壊され、ヒドロキシル基が活性放出され、反応性の高いアルカリセルロースになります。セルロースエーテルが得られます。
セルロースエーテルの特性は、置換基の種類、数、分布によって異なります。また、置換基の種類、エーテル化度、溶解度、および関連する応用特性によっても分類されます。分子鎖上の置換基の種類に応じて、モノエーテルと混合エーテルに分けられます。私たちが通常使用するMCはモノエーテルで、HPMCは混合エーテルです。メチルセルロースエーテルMCは、天然セルロースのグルコース単位の水酸基をメトキシに置換した後の製品です。これは、単位の水酸基の一部をメトキシ基に、別の一部をヒドロキシプロピル基に置換することによって得られる製品です。構造式は[C6H7O2(OH)3-mn(OCH3)m[OCH2CH(OH)CH3]n]xヒドロキシエチルメチルセルロースエーテルHEMCで、これらは市場で広く使用され、販売されている主な品種です。
溶解性の観点から、イオン性と非イオン性に分けられます。水溶性の非イオン性セルロースエーテルは、主にアルキルエーテルとヒドロキシアルキルエーテルの2系列で構成されています。イオン性CMCは主に合成洗剤、繊維の捺染・染色、食品、石油探査に用いられています。非イオン性のMC、HPMC、HEMCなどは、主に建材、ラテックスコーティング、医薬品、日用化学品などに用いられ、増粘剤、保水剤、安定剤、分散剤、造膜剤として使用されています。
セルロースエーテルの保水性
建築材料、特に乾式混合モルタルの製造において、セルロースエーテルはかけがえのない役割を果たしており、特に特殊モルタル（改質モルタル）の製造においては、不可欠かつ重要な成分です。
モルタルにおける水溶性セルロースエーテルの重要な役割は主に3つの側面があります。1つは優れた保水能力、2つ目はモルタルの稠度とチキソトロピーへの影響、そして3つ目はセメントとの相互作用です。
セルロースエーテルの保水効果は、下地の吸水率、モルタルの組成、モルタル層の厚さ、モルタルの水分要求量、および硬化材の凝結時間に依存します。セルロースエーテル自体の保水性は、セルロースエーテル自体の溶解性と脱水性に由来します。ご存知のように、セルロース分子鎖には水和性の高いOH基が多数含まれていますが、セルロース構造の結晶度が高いため、水に溶けません。水酸基の水和能力だけでは、分子間の強い水素結合とファンデルワールス力をカバーするのに十分ではありません。そのため、膨潤するだけで水に溶けません。分子鎖に置換基が導入されると、置換基が水素鎖を破壊するだけでなく、隣接する鎖の間に置換基がくさびで挟まれることで、鎖間水素結合も破壊されます。置換基が大きいほど、分子間の距離が大きくなります。距離が大きいほど。水素結合を破壊する効果が大きいほど、セルロースエーテルはセルロース格子が膨張して溶液が浸入すると水溶性となり、高粘度溶液を形成します。温度が上昇すると、ポリマーの水和が弱まり、鎖間の水が追い出されます。脱水効果が十分になると、分子が凝集し始め、三次元ネットワーク構造のゲルを形成して折り畳まれます。モルタルの保水性に影響を与える要因には、セルロースエーテルの粘度、添加量、粒子の細かさ、使用温度などがあります。
セルロースエーテルの粘度が高いほど保水性が向上し、ポリマー溶液の粘度も高くなります。ポリマーの分子量（重合度）に依存し、分子構造の鎖長や鎖の形状によっても決まり、置換基の種類と量の分布も粘度範囲に直接影響します。[η]=Kmα
[η] ポリマー溶液の固有粘度
mポリマー分子量
αポリマー特性定数
K粘度溶液係数
ポリマー溶液の粘度はポリマーの分子量に依存します。セルロースエーテル溶液の粘度と濃度は、様々な分野での用途と関連しています。そのため、セルロースエーテルの種類によって粘度の仕様は異なり、粘度の調整は主にアルカリセルロースの分解、すなわちセルロース分子鎖の切断によって行われます。
モルタルに添加するセルロースエーテルの量が多いほど保水性能は向上し、粘度が高いほど保水性能は向上します。
粒子径については、粒子が細かいほど保水性が高くなります。図3をご覧ください。セルロースエーテルの大きな粒子は水と接触すると、表面がすぐに溶解し、ゲル状になって物質を包み込み、水分子の浸透を防ぎます。均一な分散度に達しない場合は溶解し、白濁した綿状溶液または凝集体を形成します。これはセルロースエーテルの保水性に大きな影響を与えるため、溶解性はセルロースエーテルを選択する際の重要な要素の一つです。
セルロースエーテルの増粘性とチキソトロピー
セルロースエーテルの2番目の機能である増粘は、セルロースエーテルの重合度、溶液濃度、剪断速度、温度などの条件に依存します。溶液のゲル化特性は、アルキルセルロースとその修飾誘導体に特有です。ゲル化特性は、置換度、溶液濃度、添加剤に関連しています。ヒドロキシアルキル修飾誘導体の場合、ゲル特性はヒドロキシアルキルの修飾度にも関連しています。低粘度のMCとHPMCの場合、10％〜15％溶液を調製できます。中粘度のMCとHPMCは5％〜10％溶液を調製できますが、高粘度のMCとHPMCは2％〜3％溶液しか調製できず、通常、セルロースエーテルの粘度分類も1％〜2％溶液で段階的に分類されます。高分子量のセルロースエーテルは、高い増粘効率を持っています。同じ濃度の溶液では、分子量の異なるポリマーは粘度が異なります。その粘度はせん断速度にほとんど依存せず、高粘度で目標粘度に達し、必要な添加量も少なく、粘度は増粘効率に依存します。したがって、一定の稠度を達成するには、一定のセルロースエーテル量（溶液濃度）と溶液粘度を確保する必要があります。溶液のゲル化温度も溶液濃度の増加に伴って直線的に低下し、ある濃度に達すると室温でゲル化します。HPMCのゲル化濃度は室温で比較的高くなります。
粘度は、粒子サイズの選択と、異なる改質度のセルロースエーテルの選択によっても調整できます。いわゆる改質とは、MC骨格構造にヒドロキシアルキル基を一定量置換させることです。2つの置換基の相対的な置換値、つまりよく言われるメトキシアルキル基とヒドロキシアルキル基のDSとMSの相対的な置換値を変化させることによって調整します。2つの置換基の相対的な置換値を変化させることで、セルロースエーテルの様々な性能要件を満たすことができます。
粉末状建築材料に使用されるセルロースエーテルは、冷水に速やかに溶解し、系に適した粘度を提供する必要があります。一定のせん断速度を与えても、凝集性やコロイド状の塊となり、品質の低い製品となります。
セメントペーストの稠度とセルロースエーテルの添加量との間には良好な直線関係が見られます。セルロースエーテルはモルタルの粘度を大幅に高めることができ、添加量が多いほど効果が顕著になります。
高粘度セルロースエーテル水溶液は高いチキソトロピー性を有しており、これもセルロースエーテルの主な特性である。MCポリマーの水溶液は、ゲル温度以下では擬塑性流動性および非チキソトロピー性を示すが、低せん断速度ではニュートン流動特性を示す。擬塑性は、置換基の種類および置換度にかかわらず、セルロースエーテルの分子量または濃度とともに増加する。したがって、MC、HPMC、HEMCに関係なく、同じ粘度グレードのセルロースエーテルは、濃度および温度が一定に保たれる限り、常に同じレオロジー特性を示す。温度が上昇すると構造ゲルが形成され、高度にチキソトロピー性の流動が生じる。高濃度および低粘度のセルロースエーテルは、ゲル温度以下でもチキソトロピー性を示す。この特性は、建築用モルタルの施工におけるレベリングおよびたるみの調整に大きな利点がある。ここで説明しておく必要があるのは、セルロースエーテルの粘度が高いほど保水性は向上するが、粘度が高いほどセルロースエーテルの相対分子量が高くなり、溶解度が低下するため、モルタルの濃度と施工性に悪影響を与えるということである。粘度が高いほどモルタルの増粘効果は顕著になるが、完全に比例するわけではない。中粘度と低粘度のものがあるが、改質セルロースエーテルは湿潤モルタルの構造強度を向上させるのに優れた性能を示す。粘度が上昇するにつれて、セルロースエーテルの保水性は向上する。
投稿日時: 2022年11月22日