기성 혼합 모르타르에서 셀룰로오스 에테르의 역할

기성 모르타르에서 셀룰로오스 에테르의 첨가량은 매우 적지만, 습식 모르타르의 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 모르타르의 시공 성능에 영향을 미치는 주요 첨가제입니다. 다양한 종류, 점도, 입자 크기, 점도 정도 및 첨가량을 가진 셀룰로오스 에테르를 적절히 선택하면 건식 분말 모르타르의 성능 향상에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 현재 많은 조적 및 미장 모르타르는 수분 보유력이 좋지 않아 물을 바른 후 몇 분만 지나도 분리되는 문제가 있습니다.

메틸의 중요한 성능 지표 중 하나는 수분 보유 능력입니다.셀룰로오스 에테르또한 이는 특히 고온 지역인 남부 지역을 중심으로 많은 국내 건식 모르타르 제조업체들이 주목하는 성능이기도 합니다. 건식 모르타르의 수분 보유 효과에 영향을 미치는 요인으로는 첨가되는 메탄올의 양, 메탄올의 점도, 입자 크기, 사용 환경의 온도 등이 있습니다.

셀룰로오스 에테르는 천연 셀룰로오스를 화학적으로 변형시켜 만든 합성 고분자입니다. 셀룰로오스 에테르는 천연 셀룰로오스의 유도체이며, 합성 고분자 제조 방법과는 차이가 있습니다. 셀룰로오스 에테르의 가장 기본적인 원료는 천연 고분자 화합물인 셀룰로오스입니다. 천연 셀룰로오스는 구조적 특성상 에테르화제와 반응하지 않습니다. 그러나 팽윤제를 처리하면 분자 사슬 간의 강한 수소 결합이 끊어지고, 활성 하이드록실기가 방출되어 반응성 알칼리 셀룰로오스가 됩니다. 이렇게 셀룰로오스 에테르가 얻어집니다.

셀룰로오스 에테르의 성질은 치환기의 종류, 개수 및 분포에 따라 달라집니다. 셀룰로오스 에테르의 분류는 치환기의 종류, 에테르화 정도, 용해도 및 관련 응용 특성을 기준으로 합니다. 분자 사슬에 있는 치환기의 종류에 따라 모노에테르와 혼합에테르로 나눌 수 있습니다. 우리가 일반적으로 사용하는 MC는 모노에테르이고, HPMC는 혼합에테르입니다. 메틸셀룰로오스 에테르(MC)는 천연 셀룰로오스의 포도당 단위에 있는 하이드록실기를 메톡시기로 치환한 생성물입니다. 단위의 하이드록실기 중 일부는 메톡시기로, 나머지는 하이드록시프로필기로 치환됩니다. 에틸메틸셀룰로오스 에테르(HEMC)는 시장에서 널리 사용되고 판매되는 주요 종류입니다.

용해도 측면에서 이온성 셀룰로오스 에테르와 비이온성 셀룰로오스 에테르로 나눌 수 있다. 수용성 비이온성 셀룰로오스 에테르는 주로 알킬 에테르와 하이드록시알킬 에테르의 두 가지 계열로 구성된다. 이온성 CMC는 주로 합성 세제, 섬유 인쇄 및 염색, 식품 및 석유 탐사에 사용된다. 비이온성 MC, HPMC, HEMC 등은 주로 건축 자재, 라텍스 코팅, 의약품, 생활용품 등에 증점제, 보수제, 안정제, 분산제 및 필름 형성제로 사용된다.

셀룰로오스 에테르의 수분 보유력: 건축 자재, 특히 건조 분말 모르타르 생산에서 셀룰로오스 에테르는 대체 불가능한 역할을 하며, 특히 특수 모르타르(변성 모르타르) 생산에서는 필수적이고 중요한 성분입니다. 수용성 셀룰로오스 에테르가 모르타르에서 중요한 역할을 하는 것은 크게 세 가지 측면으로 나눌 수 있습니다. 첫째는 탁월한 수분 보유력, 둘째는 모르타르의 점도 및 요변성에 미치는 영향, 셋째는 시멘트와의 상호작용입니다. 셀룰로오스 에테르의 수분 보유 효과는 바탕층의 수분 흡수율, 모르타르의 조성, 모르타르 층의 두께, 모르타르의 수분 요구량, 경화 재료의 경화 시간에 따라 달라집니다. 셀룰로오스 에테르 자체의 수분 보유력은 셀룰로오스 에테르 자체의 용해도와 탈수성에 기인합니다. 잘 알려진 바와 같이, 셀룰로오스 분자 사슬에는 수화성이 높은 OH기가 다수 포함되어 있지만, 셀룰로오스 구조의 결정성이 매우 높기 때문에 물에 용해되지 않습니다. 하이드록실기의 수화 능력만으로는 분자 간 강한 수소 결합과 반데르발스 힘을 상쇄하기에 충분하지 않습니다. 따라서 셀룰로오스 에테르는 물에 녹지 않고 팽창만 합니다. 분자 사슬에 치환기가 도입되면 치환기 자체가 수소 결합을 파괴할 뿐만 아니라, 인접한 사슬 사이에 치환기가 끼어들면서 사슬 간 수소 결합도 파괴됩니다. 치환기의 크기가 클수록 분자 간 거리가 멀어지고, 이 거리가 멀어질수록 수소 결합 파괴 효과가 커집니다. 셀룰로오스 격자가 팽창하고 용액이 침투하여 고점도 용액을 형성하면 셀룰로오스 에테르는 수용성이 됩니다. 온도가 상승하면 고분자의 수화력이 약해지고 사슬 사이의 물이 빠져나갑니다. 탈수 효과가 충분해지면 분자들이 응집되어 3차원 망상 구조의 겔을 형성하고 접혀 나옵니다.

모르타르의 수분 보유력에 영향을 미치는 요인으로는 셀룰로오스 에테르의 점도, 첨가량, 입자의 미세도 및 사용 온도 등이 있습니다.

셀룰로오스 에테르의 점도가 높을수록 수분 보유 성능이 우수합니다. 점도는 MC 성능의 중요한 매개변수입니다. 현재 MC 제조업체들은 MC의 점도를 측정하기 위해 다양한 방법과 기기를 사용하고 있습니다. 주요 측정 방법으로는 하케 로토비스코(Haake Rotovisko), 호플러(Hoppler), 우벨로데(Ubbelohde), 브룩필드(Brookfield)법 등이 있습니다. 동일한 제품이라도 측정 방법에 따라 점도 결과가 크게 다를 수 있으며, 심지어 두 배 이상 차이가 나는 경우도 있습니다. 따라서 점도를 비교할 때는 온도, 로터 종류 등 모든 측정 방법을 동일하게 적용해야 합니다.

일반적으로 점도가 높을수록 수분 보유 효과가 좋습니다. 그러나 점도가 높고 MC의 분자량이 클수록 용해도가 감소하여 모르타르의 강도와 시공 성능에 부정적인 영향을 미칩니다. 점도가 높을수록 모르타르의 점도 증가 효과가 뚜렷해지지만, 직접적인 비례 관계는 아닙니다. 점도가 높을수록 습윤 모르타르의 점성이 높아져 시공 시 스크레이퍼에 잘 달라붙고 바탕면에 대한 접착력이 강해집니다. 하지만 이는 습윤 모르타르 자체의 구조적 강도를 향상시키는 데에는 도움이 되지 않습니다. 또한 시공 중 처짐 방지 성능도 미미합니다. 이와는 대조적으로, 중저점도의 변성 메틸셀룰로오스 에테르는 습윤 모르타르의 구조적 강도 향상에 탁월한 효과를 나타냅니다.

모르타르에 첨가하는 셀룰로오스 에테르의 양이 많을수록 수분 보유 성능이 우수하며, 점도가 높을수록 수분 보유 성능이 우수해집니다.

입자 크기에 있어서는 입자가 미세할수록 수분 보유력이 우수합니다. 셀룰로오스 에테르의 큰 입자는 물과 접촉하면 표면이 즉시 용해되어 겔을 형성하고, 이 겔이 물질을 감싸 수분 분자의 침투를 막습니다. 때로는 장시간 교반해도 균일하게 분산 및 용해되지 않아 탁한 응집 용액이 되거나 덩어리가 생길 수 있습니다. 이는 셀룰로오스 에테르의 수분 보유력에 큰 영향을 미치며, 용해도는 셀룰로오스 에테르를 선택하는 중요한 요소 중 하나입니다. 미세도 또한 메틸셀룰로오스 에테르의 중요한 성능 지표입니다. 건식 분말 모르타르에 사용되는 MC는 수분 함량이 낮은 분말 형태여야 하며, 입자 크기가 63μm 미만인 입자가 20%~60%를 차지해야 합니다. 미세도는 메틸셀룰로오스 에테르의 용해도에 영향을 미칩니다. 굵은 MC는 일반적으로 과립형이며, 응집 없이 물에 쉽게 용해되지만 용해 속도가 매우 느리기 때문에 건식 분말 모르타르에 사용하기에는 적합하지 않습니다. 건식 분말 모르타르에서 메틸셀룰로오스 에테르(MC)는 골재, 미세 충전재, 시멘트 등의 접착 재료 사이에 분산되는데, 물과 혼합 시 MC의 응집을 방지하려면 충분히 미세한 분말이어야 합니다. MC를 물에 첨가하여 응집물을 용해시키려 해도 분산 및 용해가 매우 어렵습니다. MC의 입자가 너무 굵으면 낭비일 뿐만 아니라 모르타르의 국부적인 강도를 저하시킵니다. 이러한 건식 분말 모르타르를 넓은 면적에 시공할 경우, 국부적인 경화 속도가 현저히 느려지고 경화 시간 차이로 인해 균열이 발생할 수 있습니다. 기계적 시공이 가능한 분사 모르타르의 경우, 혼합 시간이 짧기 때문에 더욱 높은 미세도 요구 조건을 충족해야 합니다.

MC의 미세도 또한 수분 보유력에 일정한 영향을 미칩니다. 일반적으로 점도가 동일하지만 미세도가 다른 메틸셀룰로오스 에테르의 경우, 동일한 첨가량에서 미세도가 높을수록 수분 보유 효과가 더 좋습니다.

건조 분말 모르타르(MC)의 수분 보유율은 사용 온도와도 관련이 있으며, 메틸 셀룰로오스 에테르의 수분 보유율은 온도가 상승함에 따라 감소합니다. 그러나 실제 적용 환경에서 건조 분말 모르타르는 여름철 햇볕 아래 외벽 미장과 같이 고온(40도 이상)의 뜨거운 기판에 시공되는 경우가 많으며, 이러한 고온 환경은 시멘트 경화 및 건조 분말 모르타르의 경화를 가속화합니다. 수분 보유율 감소는 작업성 및 균열 저항성에 뚜렷한 영향을 미치며, 이러한 조건에서 온도 요인의 영향을 최소화하는 것이 특히 중요합니다. 메틸 히드록시에틸 셀룰로오스 에테르 첨가제는 현재 기술 개발의 최첨단에 있지만, 온도 의존성으로 인해 여전히 건조 분말 모르타르의 성능 저하를 초래할 수 있습니다. 메틸 히드록시에틸 셀룰로오스의 함량을 증가시킨 여름용 배합에서도 작업성 및 균열 저항성은 여전히 ​​사용 요구를 충족하지 못합니다. MC에 에테르화 정도를 높이는 등의 특수 처리를 통해 고온에서도 수분 보유 효과를 유지할 수 있으므로 가혹한 조건에서도 더 나은 성능을 제공할 수 있습니다.

또한, 셀룰로오스 에테르의 점증 및 요변성: 셀룰로오스 에테르의 두 번째 기능인 점증은 셀룰로오스 에테르의 중합도, 용액 농도, 전단 속도, 온도 및 기타 조건에 따라 달라집니다. 용액의 겔화 특성은 알킬 셀룰로오스와 그 변형 유도체에 고유한 특성입니다. 겔화 특성은 치환도, 용액 농도 및 첨가제와 관련이 있습니다. 하이드록시알킬 변형 유도체의 경우, 겔 특성은 하이드록시알킬의 변형 정도와도 관련이 있습니다. 저점도 MC 및 HPMC의 경우 10~15% 용액을 제조할 수 있고, 중점도 MC 및 HPMC의 경우 5~10% 용액을 제조할 수 있으며, 고점도 MC 및HPMC일반적으로 셀룰로오스 에테르는 2~3% 용액만 제조할 수 있으며, 점도 분류 또한 보통 1~2% 용액을 기준으로 합니다. 고분자량 셀룰로오스 에테르는 점증 효율이 높아 동일 농도의 용액에서도 분자량이 다른 고분자는 점도가 크게 다릅니다. 목표 점도는 저분자량 셀룰로오스 에테르를 다량 첨가해야만 얻을 수 있습니다. 저분자량 셀룰로오스 에테르는 전단 속도에 대한 의존성이 낮고, 목표 점도에 도달하는 데 필요한 첨가량이 적으며, 점도는 점증 효율에 따라 달라집니다. 따라서 특정 점도를 얻기 위해서는 일정량의 셀룰로오스 에테르(용액 농도)와 용액 점도를 확보해야 합니다. 용액의 겔화 온도는 용액 농도가 증가함에 따라 선형적으로 감소하며, 특정 농도에 도달하면 상온에서 겔화됩니다. HPMC의 경우 상온에서 겔화 농도가 비교적 높습니다.

입자 크기를 조절하고 개질 정도가 다른 셀룰로오스 에테르를 선택함으로써 점도를 조절할 수 있습니다. 여기서 개질이란 셀룰로오스 에테르(MC)의 골격 구조에 하이드록시알킬기를 일정 정도로 치환하는 것을 말합니다. 메톡시기와 하이드록시알킬기의 상대적 치환 값, 즉 DS와 ms 값을 변화시킴으로써 셀룰로오스 에테르의 다양한 성능 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

점도와 개량 효과의 관계: 셀룰로오스 에테르 첨가는 모르타르의 물 소비량에 영향을 미치며, 물과 시멘트의 물-결합재 비율을 변경하면 점도 증가 효과가 나타납니다. 첨가량이 많을수록 물 소비량도 증가합니다.

분말형 건축자재에 사용되는 셀룰로오스 에테르는 찬물에 빠르게 용해되어야 하며, 시스템에 적합한 점도를 제공해야 합니다. 특정 전단 속도에서 용해되지 않고 응집되어 콜로이드 덩어리를 형성하는 경우, 이는 불량품 또는 품질이 떨어지는 제품이 됩니다.

시멘트 페이스트의 점도와 셀룰로오스 에테르 첨가량 사이에는 양호한 선형 관계가 있습니다. 셀룰로오스 에테르는 모르타르의 점도를 크게 증가시킬 수 있으며, 첨가량이 많을수록 그 효과는 더욱 뚜렷해집니다. 고점도 셀룰로오스 에테르 수용액은 높은 요변성을 나타내는데, 이는 셀룰로오스 에테르의 주요 특성 중 하나입니다. MC 중합체의 수용액은 일반적으로 겔화 온도 이하에서는 의사소성 및 비요변성 유동성을 보이지만, 낮은 전단 속도에서는 뉴턴 유체와 같은 유동 특성을 나타냅니다. 의사소성은 치환체의 종류 및 치환 정도와 관계없이 셀룰로오스 에테르의 분자량 또는 농도가 증가함에 따라 증가합니다. 따라서 MC, HPMC, HEMC 등 동일한 점도 등급의 셀룰로오스 에테르는 농도와 온도가 일정하게 유지되는 한 항상 동일한 유변학적 특성을 나타냅니다. 온도가 상승하면 구조적 겔이 형성되고 높은 요변성 유동이 발생합니다. 고농도 저점도 셀룰로오스 에테르는 겔화 온도 이하에서도 요변성을 나타냅니다. 이러한 특성은 건축 모르타르 시공 시 수평 및 처짐 조절에 매우 유용합니다. 여기서 설명해야 할 점은 셀룰로오스 에테르의 점도가 높을수록 수분 보유력이 좋아지지만, 점도가 높을수록 셀룰로오스 에테르의 상대 분자량이 커지고 용해도가 감소하여 모르타르의 농도와 시공 성능에 부정적인 영향을 미친다는 것입니다. 점도가 높을수록 모르타르의 점도 증가 효과가 뚜렷해지지만, 완전히 비례하는 것은 아닙니다. 중간 및 저점도의 변성 셀룰로오스 에테르가 습윤 모르타르의 구조적 강도 향상에 더 나은 성능을 보입니다. 점도가 증가함에 따라 셀룰로오스 에테르의 수분 보유력이 향상됩니다.

셀룰로오스 에테르의 수화 지연 효과: 셀룰로오스 에테르의 세 번째 기능은 시멘트의 수화 과정을 지연시키는 것입니다. 셀룰로오스 에테르는 모르타르에 다양한 유익한 특성을 부여할 뿐만 아니라 시멘트의 초기 수화열을 감소시키고 수화 동적 과정을 지연시킵니다. 이는 추운 지역에서 모르타르를 사용할 때 불리한 점입니다. 이러한 지연 효과는 셀룰로오스 에테르 분자가 CSH 및 Ca(OH)₂와 같은 수화 생성물에 흡착되기 때문에 발생합니다. 공극 용액의 점도가 증가함에 따라 셀룰로오스 에테르는 용액 내 이온의 이동성을 감소시켜 수화 과정을 지연시킵니다. 광물 겔 재료 내 셀룰로오스 에테르의 농도가 높을수록 수화 지연 효과는 더욱 두드러집니다. 셀룰로오스 에테르는 응결을 지연시킬 뿐만 아니라 시멘트 모르타르 시스템의 경화 과정도 지연시킵니다. 셀룰로오스 에테르의 지연 효과는 광물 겔 시스템 내 농도뿐만 아니라 화학 구조에도 영향을 받습니다. HEMC의 메틸화 정도가 높을수록 셀룰로오스 에테르의 지연 효과가 우수해진다. 친수성 치환과 수분 흡수성 치환의 비율이 높을수록 지연 효과가 강해진다. 그러나 셀룰로오스 에테르의 점도는 시멘트 수화 속도에 거의 영향을 미치지 않는다.

셀룰로오스 에테르 함량이 증가함에 따라 모르타르의 응결 시간이 현저하게 증가합니다. 모르타르의 초기 응결 시간과 셀룰로오스 에테르 함량 사이에는 강한 비선형 상관관계가 있으며, 최종 응결 시간과 셀룰로오스 에테르 함량 사이에는 강한 선형 상관관계가 있습니다. 셀룰로오스 에테르의 양을 조절함으로써 모르타르의 작업 시간을 제어할 수 있습니다.

요약하자면, 기성품 모르타르의 경우,셀룰로오스 에테르셀룰로오스 에테르는 수분 보유, 점도 증가, 시멘트 수화 지연, 시공 성능 향상에 중요한 역할을 합니다. 우수한 수분 보유 능력은 시멘트 수화를 더욱 완전하게 하고, 습윤 모르타르의 점도를 높여 접착 강도를 증가시키며, 경화 시간을 조절할 수 있게 합니다. 기계식 분무 모르타르에 셀룰로오스 에테르를 첨가하면 분무 또는 펌핑 성능과 모르타르의 구조적 강도를 향상시킬 수 있습니다. 따라서 셀룰로오스 에테르는 레미콘 모르타르의 중요한 첨가제로 널리 사용되고 있습니다.