プレミックスモルタルでは、セルロースエーテルの添加量は非常に少ないですが、湿潤モルタルの性能を大幅に向上させることができ、モルタルの施工性能に影響を与える主要な添加剤です。異なる種類、異なる粘度、異なる粒径、異なる粘度度、および添加量のセルロースエーテルを適切に選択することで、乾燥粉末モルタルの性能向上にプラスの影響を与えます。現在、多くの石積みモルタルや左官モルタルは保水性が悪く、数分放置すると水スラリーが分離します。保水性はメチルセルロースエーテルの重要な性能であり、多くの国内乾燥混合モルタルメーカー、特に高温の南部地域のメーカーが注目している性能でもあります。乾燥混合モルタルの保水性に影響を与える要因には、添加されるMCの量、粘度、MC粒子の細かさと使用環境の温度。
1. コンセプト
セルロースエーテルは、天然セルロースを化学修飾して作られる合成ポリマーです。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方法は合成ポリマーとは異なります。その最も基本的な原料は、天然ポリマー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から、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、膨潤剤で処理すると、分子鎖間の強い水素結合が破壊され、ヒドロキシル基が活発に放出されて反応性アルカリセルロースとなり、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、分布に依存します。セルロースエーテルの分類は、置換基の種類、エーテル化度、溶解性、および関連する用途特性に基づいています。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 はモノエーテルであり、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ヒドロキシル基をメトキシ基で置換した後の製品です。単位上のヒドロキシル基の一部をメトキシ基で、別の部分をヒドロキシプロピル基で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 です。ヒドロキシエチルメチルセルロースエーテル HEMC は、市場で広く使用および販売されている主な種類です。
溶解性の観点から、イオン性セルロースエーテルと非イオン性セルロースエーテルに分類できます。水溶性非イオン性セルロースエーテルは、主に2種類のアルキルエーテルとヒドロキシアルキルエーテルから構成されています。イオン性CMCは、主に合成洗剤、繊維の印刷・染色、食品、石油探査に使用されます。非イオン性MC、HPMC、HEMCなどは、主に建築材料、ラテックスコーティング、医薬品、日用化学品などに使用され、増粘剤、保水剤、安定剤、分散剤、皮膜形成剤として使用されます。
2. セルロースエーテルの保水性
セルロースエーテルの保水性：建築材料、特に乾燥粉末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。
水溶性セルロースエーテルがモルタルにおいて果たす重要な役割は主に3つの側面にあります。1つは優れた保水性、もう1つはモルタルの粘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、下地層の吸水率、モルタルの組成、モルタル層の厚さ、モルタルの必要水量、および硬化材の硬化時間に依存します。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に由来します。周知のように、セルロース分子鎖には多数の高度に水和可能なOH基が含まれていますが、セルロース構造は結晶度が高いため、水には溶けません。
ヒドロキシル基のみの水和能力では、分子間の強い水素結合やファンデルワールス力をカバーするには不十分です。そのため、水に溶けるのではなく、膨潤するだけです。置換基が分子鎖に導入されると、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挟み込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、分子間の距離は大きくなります。水素結合を破壊する効果が大きいほど、セルロース格子が膨張して溶液が入り込み、高粘度の溶液が形成されるため、セルロースエーテルは水溶性になります。温度が上昇すると、ポリマーの水和が弱まり、鎖間の水が押し出されます。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としては、セルロースエーテルの粘度、添加量、粒子の細かさ、使用温度などが挙げられる。
セルロースエーテルの粘度が高いほど、保水性は向上します。粘度はMCの性能を左右する重要なパラメータです。現在、MCメーカーによってMCの粘度測定方法や測定機器が異なります。主な測定方法は、ハーケ・ロトビスコ法、ホップラー法、ウベローデ法、ブルックフィールド法です。同じ製品でも、測定方法によって粘度が大きく異なり、2倍もの差が生じる場合もあります。そのため、粘度を比較する際には、温度や回転速度など、同じ測定方法を用いる必要があります。
一般的に、粘度が高いほど保水効果は向上します。しかし、粘度が高くMCの分子量が高いほど、溶解度が低下し、モルタルの強度と施工性能に悪影響を及ぼします。粘度が高いほどモルタルの増粘効果は顕著になりますが、直接比例するわけではありません。粘度が高いほど湿潤モルタルの粘性が高くなり、施工中にスクレーパーに付着しやすく、下地への接着性も高くなります。しかし、湿潤モルタル自体の構造強度を高めるのには役立ちません。施工中の垂れ防止性能は顕著ではありません。逆に、中低粘度で変性メチルセルロースエーテルの中には、湿潤モルタルの構造強度を向上させる優れた性能を持つものがあります。
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が向上し、粘度が高いほど保水性が向上する。
粒子サイズに関しては、粒子が細かいほど保水性が高くなります。セルロースエーテルの大きな粒子が水と接触すると、表面がすぐに溶解してゲルを形成し、材料を包み込んで水分子の浸透を妨げます。長時間攪拌しても均一に分散・溶解せず、濁った凝集溶液や凝集物を形成することがあります。これはセルロースエーテルの保水性に大きく影響し、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。
メチルセルロースエーテルの性能指標として、粒度も重要です。乾燥粉末モルタルに使用されるMCは、粉末状で低含水率である必要があり、粒度も20%～60%が63μm未満であることが求められます。粒度はメチルセルロースエーテルの溶解性に影響します。粗粒のMCは通常粒状で、凝集せずに水に溶けやすいですが、溶解速度が非常に遅いため、乾燥粉末モルタルでの使用には適していません。乾燥粉末モルタルでは、MCは骨材、微細充填材、セメントなどのセメント系材料に分散しており、水と混合する際にメチルセルロースエーテルの凝集を防ぐには、十分に細かい粉末である必要があります。MCを水で添加して凝集物を溶解しようとすると、分散と溶解が非常に困難になります。
MCの粒度が粗すぎると無駄になるだけでなく、モルタルの局所的な強度も低下します。このような乾燥粉末モルタルを広い面積に適用すると、局所的な乾燥粉末モルタルの硬化速度が著しく低下し、硬化時間のばらつきによってひび割れが発生します。機械施工による吹き付けモルタルの場合、混合時間が短いため、粒度に対する要求はより高くなります。
メチルセルロースの粒子の細かさも、その保水性に一定の影響を与える。一般的に、粘度が同じでも粒子の細かさが異なるメチルセルロースエーテルの場合、添加量が同じであれば、粒子が細かいほど保水性が向上する。
MCの保水性は使用温度にも関係しており、メチルセルロースエーテルの保水性は温度の上昇とともに低下します。しかし、実際の材料用途では、乾燥粉末モルタルは、夏の太陽の下での外壁パテ塗りなど、多くの環境で高温（40度以上）の熱い基材に塗布されることが多く、セメントの硬化と乾燥粉末モルタルの硬化が促進されます。保水性の低下は、作業性と耐ひび割れ性の両方に影響を及ぼしているという明らかな感覚につながり、このような状況下では温度要因の影響を低減することが特に重要になります。
メチルヒドロキシエチルセルロースエーテル添加剤は現在、技術開発の最先端にあると考えられているが、温度依存性があるため、乾燥粉末モルタルの性能が低下するという問題がある。メチルヒドロキシエチルセルロースの添加量を増やしても（夏季配合）、作業性や耐ひび割れ性は依然として使用上のニーズを満たせない。MCにエーテル化度を高めるなどの特殊処理を施すことで、より高い温度でも保水効果を維持できるため、過酷な条件下でも優れた性能を発揮できる。
3. セルロースエーテルの増粘とチキソトロピー
セルロースエーテルの増粘とチキソトロピー：セルロースエーテルの2番目の機能である増粘効果は、セルロースエーテルの重合度、溶液濃度、せん断速度、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のものです。ゲル化特性は、置換度、溶液濃度、および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では10%～15%の溶液を調製でき、中粘度のMCとHPMCでは5%～10%の溶液を調製できますが、高粘度のMCとHPMCでは2%～3%の溶液しか調製できません。通常、セルロースエーテルの粘度分類も1%～2%の溶液で等級付けされます。
高分子量セルロースエーテルは高い増粘効率を有します。同じ濃度の溶液では、分子量の異なるポリマーは粘度が大きく異なります。目標粘度を達成するには、低分子量セルロースエーテルを大量に添加する必要があります。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、必要な添加量は少なく、粘度は増粘効率に依存します。したがって、一定の粘度を達成するには、一定量のセルロースエーテル（溶液の濃度）と溶液の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の濃度の増加とともに直線的に低下し、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いです。
粘度は、粒子サイズの選択や、異なる修飾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。ここでいう修飾とは、MCの骨格構造に一定程度のヒドロキシアルキル基を導入することです。2つの置換基の相対置換値、つまり、よく言われるメトキシ基とヒドロキシアルキル基の相対置換値であるDSとmsを変更することによって、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。
粘度と改質の関係：セルロースエーテルの添加はモルタルの水消費量に影響を与え、水とセメントの水結合材比を変化させることで増粘効果をもたらし、添加量が多いほど水消費量が多くなります。
粉末建材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、システムに適した粘度を提供する必要があります。一定のせん断速度が加わると、凝集してコロイド状の塊となり、規格外または低品質の製品となってしまいます。
セメントペーストの粘稠度とセルロースエーテルの添加量の間には良好な線形関係があります。セルロースエーテルはモルタルの粘度を大幅に増加させることができます。添加量が多いほど、その効果は顕著になります。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持ち、これもセルロースエーテルの主要な特徴です。MCポリマーの水溶液は通常、ゲル化温度以下では擬塑性で非チキソトロピー性の流動性を示しますが、低せん断速度ではニュートン流体特性を示します。擬塑性は、置換基の種類や置換度に関係なく、セルロースエーテルの分子量または濃度とともに増加します。したがって、濃度と温度が一定に保たれている限り、MC、HPMC、HEMCなど、同じ粘度グレードのセルロースエーテルは常に同じレオロジー特性を示します。
温度が上昇すると構造ゲルが形成され、強いチキソトロピー流動が発生します。高濃度で低粘度のセルロースエーテルは、ゲル化温度以下でもチキソトロピー性を示します。この特性は、建築用モルタルの施工における水平調整や垂れ下がり調整に非常に役立ちます。ここで説明する必要があるのは、セルロースエーテルの粘度が高いほど保水性は向上しますが、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、モルタル濃度や施工性能に悪影響を及ぼします。粘度が高いほどモルタルの増粘効果は顕著になりますが、完全に比例するわけではありません。中低粘度のものもありますが、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発揮します。粘度が増加すると、セルロースエーテルの保水性が向上します。
4. セルロースエーテルの遅延
セルロースエーテルの遅延効果：セルロースエーテルの3つ目の機能は、セメントの水和プロセスを遅延させることです。セルロースエーテルはモルタルに様々な有益な特性を与え、セメントの初期水和熱を低下させ、セメントの水和動的プロセスを遅延させます。これは寒冷地でのモルタルの使用には不利です。この遅延効果は、セルロースエーテル分子がCSHやCa(OH)2などの水和生成物に吸着することによって生じます。セルロースエーテルは細孔溶液の粘度を上昇させるため、溶液中のイオンの移動度を低下させ、それによって水和プロセスを遅延させます。
鉱物ゲル材料中のセルロースエーテルの濃度が高いほど、水和遅延効果が顕著になります。セルロースエーテルは凝結を遅らせるだけでなく、セメントモルタルシステムの硬化プロセスも遅らせます。セルロースエーテルの遅延効果は、鉱物ゲルシステム中の濃度だけでなく、化学構造にも依存します。HEMCのメチル化度が高いほど、セルロースエーテルの遅延効果は大きくなります。親水性置換と水増加置換の比率が高いほど、遅延効果は強くなります。ただし、セルロースエーテルの粘度はセメントの水和速度にほとんど影響を与えません。
セルロースエーテル含有量が増加すると、モルタルの凝結時間は著しく長くなります。モルタルの初期凝結時間とセルロースエーテル含有量の間には良好な非線形相関があり、最終凝結時間とセルロースエーテル含有量の間には良好な線形相関があります。セルロースエーテルの量を調整することで、モルタルの作業時間を制御できます。
まとめると、既調合モルタルでは、セルロースエーテルセルロースエーテルは、保水性、増粘性、セメント水和力の遅延、施工性能の向上に役割を果たします。保水性が高いとセメント水和がより完全に進行し、湿潤モルタルの湿潤粘度が向上し、モルタルの接着強度が高まり、硬化時間を調整できます。機械噴霧モルタルにセルロースエーテルを添加すると、噴霧性能やポンプ圧送性能、モルタルの構造強度が向上します。そのため、セルロースエーテルはプレミックスモルタルの重要な添加剤として広く使用されています。
投稿日時：2024年4月28日