셀룰로오스 에테르는 천연 셀룰로오스를 원료로 하여 화학적으로 변형시켜 만든 합성 고분자입니다. 셀룰로오스 에테르는 천연 셀룰로오스의 유도체이며, 셀룰로오스 에테르 생산과 합성 고분자 생산에는 차이가 있습니다. 셀룰로오스 에테르의 가장 기본적인 원료는 천연 고분자 화합물인 셀룰로오스입니다. 천연 셀룰로오스는 구조적 특성상 에테르화제와 반응하지 않습니다. 그러나 팽윤제 처리 후 분자 사슬 간의 강한 수소 결합이 파괴되고, 반응성을 가진 알칼리 셀룰로오스에 존재하는 하이드록실기(OH)가 방출됩니다. 에테르화제와의 반응을 통해 OH기가 OR기로 전환되면서 셀룰로오스 에테르가 생성됩니다.
셀룰로오스 에테르의 성질은 치환기의 종류, 개수 및 분포에 따라 달라집니다. 셀룰로오스 에테르는 치환기의 종류, 에테르화 정도, 용해도 및 관련 응용 분야에 따라 분류할 수 있습니다. 분자 사슬에 존재하는 치환기의 종류에 따라 단일 에테르와 혼합 에테르로 나눌 수 있습니다. MC는 일반적으로 단일 에테르로 사용되는 반면, HPmc는 혼합 에테르입니다. 메틸셀룰로오스 에테르(MC)는 천연 셀룰로오스의 글루코스 단위의 하이드록실기가 메톡사이드로 치환된 생성물로, 구조식은 [C6H7O2(OH)3-H(OCH3)H]X입니다. 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스 에테르(HPmc)는 하이드록실기의 일부는 메톡사이드로, 나머지는 하이드록시프로필로 치환된 생성물로, 구조식은 [C6H7O2(OH)3-MN(OCH3)M[OCH2CH(OH)CH3]N]X입니다. 하이드록시에틸 메틸셀룰로오스 에테르(HEmc)는 시중에서 널리 사용되고 판매되는 물질입니다.
용해도에 따라 이온성 셀룰로오스 에테르와 비이온성 셀룰로오스 에테르로 나눌 수 있다. 수용성 비이온성 셀룰로오스 에테르는 주로 알킬 에테르와 하이드록시알킬 에테르 계열로 구성된다. 이온성 셀룰로오스 에테르(CMC)는 주로 합성 세제, 섬유, 인쇄, 식품 및 석유 산업에 사용된다. 비이온성 셀룰로오스 에테르(MC), 히드록시메틸셀룰로오스(HPMC), 히드록시메틸셀룰로오스(HEMC) 등은 주로 건축 자재, 라텍스 코팅, 의약품, 생활용품 등에 증점제, 수분 보유제, 안정제, 분산제, 필름 형성제 등으로 사용된다.
셀룰로오스 에테르 수분 보유력
건축자재, 특히 건식 혼합 모르타르 생산에 있어 셀룰로오스 에테르는 대체 불가능한 역할을 하며, 특히 특수 모르타르(변성 모르타르) 생산에 필수적인 성분입니다.
모르타르에서 수용성 셀룰로오스 에테르의 중요한 역할은 크게 세 가지 측면으로 나눌 수 있는데, 첫째는 탁월한 수분 보유 능력, 둘째는 모르타르의 점도 및 요변성에 미치는 영향, 셋째는 시멘트와의 상호작용입니다.
셀룰로오스 에테르의 수분 보유력은 흡습성, 모르타르 조성, 모르타르 층 두께, 모르타르의 수분 요구량, 응축 재료의 응축 시간 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 셀룰로오스 에테르의 수분 보유력은 셀룰로오스 에테르 자체의 용해도와 탈수성에 기인합니다. 셀룰로오스 분자 사슬은 다량의 고도로 수화된 OH기를 포함하고 있음에도 불구하고, 고도로 결정화된 구조 때문에 물에 녹지 않는 것으로 잘 알려져 있습니다. 하이드록실기의 수화 능력만으로는 강한 분자간 수소 결합과 반데르발스 힘을 상쇄하기에 충분하지 않습니다. 분자 사슬에 치환기가 도입되면, 치환기는 수소 결합을 파괴할 뿐만 아니라, 인접한 사슬 사이에 치환기가 끼어들면서 사슬 간 수소 결합도 끊어지게 됩니다. 치환기의 크기가 클수록 분자 간 거리는 더 멀어집니다. 수소 결합 파괴 효과가 클수록 셀룰로오스 격자가 팽창하고, 셀룰로오스 에테르 용액은 수용성이 되어 고점도 용액이 형성됩니다. 온도가 상승함에 따라 고분자의 수화도가 감소하고 사슬 사이의 물이 빠져나갑니다. 탈수 효과가 충분해지면 분자들이 응집되기 시작하고 겔이 3차원 네트워크 구조로 펼쳐집니다. 모르타르의 수분 보유력에 영향을 미치는 요인으로는 셀룰로오스 에테르 점도, 투입량, 입자 크기, 사용 온도 등이 있습니다.
셀룰로오스 에테르의 점도가 높을수록 수분 보유 성능이 우수하며, 고분자 용액의 점도도 높아집니다. 고분자의 분자량(중합도)은 사슬의 분자 구조의 길이와 형태에 의해 결정되며, 치환기의 수 분포는 점도 범위에 직접적인 영향을 미칩니다. [eta] = Km alpha
고분자 용액의 고유 점도
M 중합체 분자량
α 중합체 특성 상수
K 점도 용액 계수
고분자 용액의 점도는 고분자의 분자량에 따라 달라집니다. 셀룰로오스 에테르 용액의 점도와 농도는 다양한 응용 분야와 관련이 있습니다. 따라서 각 셀룰로오스 에테르는 여러 가지 점도 규격을 가지며, 점도 조절은 주로 알칼리 셀룰로오스의 분해, 즉 셀룰로오스 분자 사슬의 파괴를 통해 이루어집니다.
입자 크기에 있어서는 입자가 미세할수록 수분 보유력이 좋습니다. 셀룰로오스 에테르의 큰 입자는 물과 접촉하면 표면이 즉시 용해되어 겔을 형성하고, 이로 인해 물질이 감싸져 물 분자의 침투를 막습니다. 때로는 장시간 교반해도 고르게 용해되지 않고 탁한 응집 용액이나 덩어리가 형성될 수 있습니다. 셀룰로오스 에테르의 용해도는 셀룰로오스 에테르를 선택하는 중요한 요소 중 하나입니다.
셀룰로오스 에테르의 점도 증가 및 요변성
셀룰로오스 에테르의 두 번째 효과인 점도 증가는 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 하이드록시알킬 변형 정도와도 관련이 있습니다. 저점도 MC 및 HPmc는 10~15% 농도의 용액으로, 중점도 MC 및 HPmc는 5~10% 농도의 용액으로, 고점도 MC 및 HPmc는 2~3% 농도의 용액으로 제조할 수 있으며, 일반적으로 셀룰로오스 에테르의 점도 또한 1~2% 농도의 용액으로 단계적으로 조절됩니다. 고분자량 셀룰로오스 에테르 증점제의 효율은 동일 용액 농도에서 분자량에 따라 달라지며, 점도와 분자량의 관계는 [η]=2.92×10⁻² (DPn)⁰.905로 나타낼 수 있습니다. 여기서 DPn은 고분자의 평균 중합도입니다. 저분자량 셀룰로오스 에테르는 목표 점도를 얻기 위해 더 많이 첨가해야 합니다. 저분자량 셀룰로오스 에테르는 전단 속도에 대한 의존성이 낮고, 목표 점도를 얻기 위해 필요한 첨가량이 적으며, 점도는 증점 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 겔화가 일어납니다. 고분자량 셀룰로오스 에테르(HPmc)는 상온에서 높은 겔화 농도를 나타냅니다.
입자 크기와 다양한 정도의 개질성을 가진 셀룰로오스 에테르를 선택함으로써 점도를 조절할 수 있습니다. 여기서 개질이란 셀룰로오스 에테르의 골격 구조에 특정 치환도로 하이드록실알킬기를 도입하는 것을 의미합니다. 메톡시기와 하이드록실기의 상대적인 치환 값, 즉 DS와 MS의 상대적 치환 값을 변화시킴으로써 셀룰로오스 에테르의 다양한 물성을 조절할 수 있습니다.
점도와 개량 사이의 관계. 그림 5에서 셀룰로오스 에테르 첨가는 모르타르의 물 소비량에 영향을 미치고 물과 시멘트의 물-결합재 비율을 변화시켜 점도 증가 효과를 나타냅니다. 첨가량이 많을수록 물 소비량이 증가합니다.
분말형 건축 자재에 사용되는 셀룰로오스 에테르는 찬물에 빠르게 용해되어야 하며, 시스템에 적절한 점도를 제공해야 합니다. 특정 전단 속도에서도 여전히 응집성이 있거나 콜로이드 상태라면 품질이 떨어지는 제품입니다.
시멘트 슬러리 점도와 셀룰로오스 에테르 첨가량 사이에는 양호한 선형 관계가 있으며, 셀룰로오스 에테르는 모르타르의 점도를 크게 높일 수 있고, 첨가량이 많을수록 효과가 더욱 뚜렷해집니다.
고점도 셀룰로오스 에테르 수용액은 높은 요변성을 나타내는데, 이는 셀룰로오스 에테르의 특징 중 하나입니다. Mc형 고분자의 수용액은 일반적으로 겔화 온도 이하에서는 의사소성, 비요변성 유동성을 보이지만, 낮은 전단 속도에서는 뉴턴 유체와 같은 유동 특성을 나타냅니다. 의사소성은 셀룰로오스 에테르의 분자량 또는 농도가 증가함에 따라 증가하며, 치환기의 종류 및 정도와는 무관합니다. 따라서 MC, HPmc, HEmc 등 동일한 점도 등급의 셀룰로오스 에테르는 농도와 온도가 일정하게 유지되는 한 항상 동일한 유변학적 특성을 보입니다. 온도가 상승하면 구조적 겔이 형성되고 높은 요변성 유동이 발생합니다. 고농도 저점도 셀룰로오스 에테르는 겔화 온도 이하에서도 요변성을 나타냅니다. 이러한 특성은 건축용 모르타르의 유동성 및 유동 유지 특성을 조절하는 데 매우 유용합니다. 여기서 설명해야 할 점은 셀룰로오스 에테르의 점도가 높을수록 수분 보유력이 좋아지지만, 점도가 높을수록 셀룰로오스 에테르의 상대 분자량이 커져 용해도가 감소하고, 이는 모르타르의 농도와 시공 성능에 부정적인 영향을 미친다는 것입니다. 점도가 높을수록 모르타르의 점도 증가 효과가 뚜렷해지지만, 완전한 비례 관계는 아닙니다. 점도가 낮은 변성 셀룰로오스 에테르는 습식 모르타르의 구조 강도 향상에 더욱 탁월한 성능을 보이며, 점도가 증가함에 따라 셀룰로오스 에테르의 수분 보유력도 향상됩니다.
게시 시간: 2022년 3월 30일