セルロースエーテルは、天然セルロースを原料として化学修飾によっ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あり、セルロースエーテルの製造方法と合成ポリマーは異なります。セルロースエーテル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、水酸基の活性がアルカリセルロースに放出され、反応能力が高まります。そして、エーテル化剤の-OH基が-OR基に反応することで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、分布によって決まります。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に基づいて行うことができます。分子鎖上の置換基の種類に応じて、単一エーテルと混合エーテルに分けられます。MCは通常単一エーテルとして使用され、HPmcは混合エーテルです。メチルセルロースエーテルMCは、天然セルロースグルコース単位のヒドロキシル基がメトキシド基に置換された生成物の構造式[CO H7O2 (OH) 3-H (OCH3) H] Xであり、ヒドロキシプロピルメチルセルロースエーテルHPmcは、単位のヒドロキシル基の一部がメトキシド基に置換され、別の部分がヒドロキシプロピル基に置換された生成物であり、構造式は[C6H7O2 (OH) 3-MN (OCH3) M [OCH2CH (OH) CH3] N] Xであり、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ます。
溶解性から、イオン性タイプと非イオン性タイプに分類できます。水溶性非イオン性セルロースエーテルは、主にアルキルエーテルとヒドロキシアルキルエーテルの2つの系列から構成されています。イオン性Cmcは、主に合成洗剤、繊維、印刷、食品、石油採掘に使用されます。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、日用化学品などの分野で使用されます。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。
セルロースエーテルの保水性
建築材料、特に乾燥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な成分である。
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つの側面から成り立っており、1つ目は優れた保水性、2つ目はモルタルの粘稠度とチクソトロピーへの影響、3つ目はセメントとの相互作用である。
セルロースエーテルの保水性は、吸湿性、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、凝縮材の凝縮時間に依存します。セルロースエーテルの保水性は、セルロースエーテル自体の溶解性と脱水に由来します。セルロース分子鎖は、多数の高度に水和したOH基を含んでいますが、結晶構造が高度であるため水に不溶性であることはよく知られています。ヒドロキシル基の水和能力だけでは、強い分子間水素結合とファンデルワールス力を補うには不十分です。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切断されます。置換基が大きいほど、分子間の距離は大きくなります。水素結合の破壊効果が大きいほど、セルロース格子が膨張し、セルロースエーテルへの溶液は水溶性になり、高粘度溶液が形成されます。温度が上昇すると、ポリマーの水和度が低下し、鎖間の水が排出されます。脱水効果が十分になると、分子が凝集し始め、ゲルが三次元ネットワーク状に折り畳まれます。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、配合量、粒子の細かさ、使用温度などが挙げられます。
セルロースエーテルの粘度が高いほど、保水性能が優れ、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）は、鎖の分子構造の長さと形態によっても決定され、置換基の数の分布は粘度範囲に直接影響します。[η] = Km α
ポリマー溶液の固有粘度
Mポリマーの分子量
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、様々な用途に関連しています。そのため、各セルロースエーテルには多くの異なる粘度仕様があり、粘度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。
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。そのため、長時間攪拌しても均一に分散・溶解せず、泥状の凝集物や塊が形成されることがあります。セルロースエーテルの溶解性は、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とチキソトロピー
セルロースエーテルの2番目の効果である増粘は、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修飾の度合いにも関連しています。低粘度のMCとHPmcの溶液濃度は10%～15%、中粘度のMCとHPmcは5%～10%、高粘度のMCとHPmc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も1%～2%の溶液で段階的に調整されます。高分子量セルロースエーテル増粘剤の効率は、溶液濃度が同じでも、分子量の異なるポリマーは粘度が異なり、粘度と分子量は次のように表すことができます。[η]=2.92×10-2 (DPn) 0.905、DPnは高分子量の平均重合度です。低分子量セルロースエーテルは、目標粘度を達成するために多く添加する必要があります。その粘度はせん断速度にあまり依存せず、高粘度で目標粘度を達成するには、添加量が少なくて済み、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。溶液のゲル化温度は、溶液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が起こります。HPmcは室温で高いゲル化濃度を有します。
粒子サイズや修飾度の異なるセルロースエーテルを選択することで、粘度を調整することもできます。ここでいう修飾とは、MCの骨格構造に一定の置換度でヒドロキシルアルキル基を導入することです。2種類の置換基の相対置換値、すなわちメトキシ基とヒドロキシル基の相対置換値であるDSとMSを変化させることで、セルロースエーテルの様々な特性が得られます。
粘度と改質の関係。図5では、セルロースエーテルの添加がモルタルの水分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、増粘効果をもたらす。添加量が多いほど、水分消費量も増加する。
粉末状の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、適切な粘度をシステムに与える必要があります。一定のせん断速度でも凝集性やコロイド状のままである場合は、規格外または品質の低い製品です。
セメントスラリーの粘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、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、添加量が多いほどその効果は顕著になる。
高粘度のセルロースエーテル水溶液は、セルロースエーテルの特性の一つである高いチキソトロピー性を示します。Mc型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。擬塑性はセルロースエーテルの分子量または濃度の増加とともに増加し、置換基の種類や程度には依存しません。したがって、濃度と温度が一定であれば、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、高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、建築用モルタルの流動性や流動付着性を調整する上で非常に有益です。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も高くなり、溶解度が低下するため、モルタルの濃度や施工性能に悪影響を及ぼすということである。粘度が高いほどモルタルの増粘効果は顕著になるが、これは完全な比例関係ではない。粘度は低いが、湿潤モルタルの構造強度を向上させる改質セルロースエーテルの中には、粘度の上昇に伴い保水性が向上するものもある。
投稿日時：2022年3月30日