セルロースエーテルは、天然セルロースを原料とし、化学修飾によって合成されたポリマーです。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。その最も基本的な原料はセルロースであり、天然高分子化合物です。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、膨潤剤処理により、分子鎖と分子鎖間の強固な水素結合が破壊され、反応能力を持つアルカリセルロースに水酸基の活性が放出されます。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、および分布に依存します。セルロースエーテルは、置換基の種類、エーテル化度、溶解度、および関連する用途に基づいて分類されます。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は天然セルロースのグルコース基上のヒドロキシル基がメトキシド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はヒドロキシル基上のヒドロキシル基の一部がメトキシドに置換され、別の一部がヒドロキシプロピルに置換された生成物の構造式は[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は広く使用され、市場で販売されています。
溶解性の違いから、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。イオン性セルロースエーテルは、主に合成洗剤、繊維、印刷、食品、石油開発に使用されます。非イオン性セルロースエーテル（MC）、HPMC、HEMCなどは、主に建材、ラテックスコーティング、医薬品、日用化学品などの分野で使用されます。増粘剤、保水剤、安定剤、分散剤、造膜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）の製造においては欠かせない要素となっています。
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つ目は優れた保水性、2つ目はモルタルの稠度とチキソトロピーへの影響、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、凝結材の凝結時間など、様々な要因に依存します。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反応に由来します。セルロース分子鎖は、高水和OH基を多数含んでいるにもかかわらず、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。水酸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のに十分ではありません。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、隣接する鎖間に置換基がくさび状に挟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。水素結合破壊効果が大きいほど、セルロースの格子膨張が大きくなり、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、鎖間の水分が追い出されます。脱水効果が十分に高まると、分子が凝集し始め、ゲルは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には、セルロースエーテルの粘度、使用量、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）は、鎖長と分子構造の形態によっても決まり、置換基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、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、粘度の調整も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破壊によって行われます。
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。セルロースエーテルの粒子が大きい場合、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。しかし、長時間撹拌しても溶解が均一に分散せず、濁った綿状の溶液や凝集体を形成することがあります。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性とチキソトロピー
セルロースエーテルの2番目の効果である増粘効果は、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およびその改質誘導体に特有です。ゲル化特性は、置換度、溶液濃度および添加剤と関連しています。ヒドロキシアルキル改質誘導体の場合、ゲル特性はヒドロキシアルキルの改質度にも関連しています。低粘度のMCおよびHPmcの溶液濃度では、10％〜15％の濃度の溶液を調製でき、中粘度のMCおよびHPmcは5％〜10％の溶液を調製でき、高粘度のMCおよび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％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の増粘剤の効率は、溶液の濃度が同じで、異なる分子量の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さらに追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、高粘度の場合は目標粘度を達成するために必要な量が少なく、粘度は増粘効率に依存します。したがって、特定の稠度を達成するには、一定量のセルロースエーテル（溶液の濃度）と溶液粘度を保証する必要があります。溶液のゲル化温度は、溶液の濃度の増加とともに直線的に低下し、特定の濃度に達した後、室温でゲル化が起こりました。HPmcは、室温でのゲル化濃度が高いです。
粘度は、粒子径と改質度の異なるセルロースエーテルを選択することにより調整できます。いわゆる改質とは、MC骨格構造に一定量のヒドロキシアルキル基を導入することです。2つの置換基の相対的な置換度、すなわちメトキシ基とヒドロキシル基のDSとMSの相対的な置換度を変化させることで調整できます。2種類の置換基の相対的な置換度を変化させることで、セルロースエーテルに求められる様々な特性が得られます。
コンシステンシーと改質の関係。図5では、セルロースエーテルの添加がモルタルの水使用量に影響を与え、水とセメントの水結合剤比（増粘効果）を変化させていることがわかります。添加量が多いほど、水使用量は増加します。
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、系に適切な粘度を与える必要があります。所定のせん断速度でも凝集性やコロイド性を示す場合は、基準を満たさない、あるいは品質の低い製品です。
セメントスラリーの粘稠度とセルロースエーテルの投与量の間にも良好な直線関係があり、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、投与量が多いほど効果が顕著になります。
高粘度のセルロースエーテル水溶液は高いチキソトロピー性を示し、これはセルロースエーテルの特性の 1 つです。Mc 型ポリマーの水溶液は、ゲル温度以下では擬塑性、非チキソトロピー流動性を示しますが、低せん断速度ではニュートン流動特性を示します。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、置換基の種類と程度には依存しません。したがって、MC、HPmc、HEmc など、同じ粘度グレードのセルロースエーテルは、濃度と温度が一定である限り、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いて、その流動性と流動垂れ下がり性を調整するために大きな利点があります。ここで説明しておくべきことは、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。粘度が低い改質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もあり、粘度が上昇するにつれてセルロースエーテルの保水性も向上します。
投稿日時: 2022年3月30日