Все, что нужно знать о карбоксиметилцеллюлозе

← назад в раздел База знаний

Карбоксиметилцеллюлоза (CMC) - анионное, водорастворимое производное целлюлозы, в котором повторяющиеся звенья соединены β-1,4-гликозидными связями. На молекулярном уровне основное различие между КМЦ и целлюлозой заключается лишь в анионных карбоксиметильных группах (например, –CH2COOH) в структуре CMC, частично замещающих атомы водорода гидроксильных групп, присутствующих в исходной целлюлозной структуре.

Карбоксиметилцеллюлоза (CMC), также известная как целлюлозная камедь или тилоза, и ее натриевая соль являются важными производными целлюлозы.

Введение

Целлюлозная камедь или карбоксиметилцеллюлоза (CMC) представляет собой производное целлюлозы с карбоксиметильными группами (-CH2-COOH), связанными с некоторыми гидроксильными группами мономеров, которые составляют основу целлюлозы. Карбоксиметилцеллюлоза (CMC) представляет собой анионное водорастворимое производное целлюлозы. Чаще всего ее используют в виде натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы. CMC представляет собой белый или слегка желтый порошок без запаха, вкуса, не ядовит. Карбоксиметилцеллюлоза гигроскопична и хорошо растворяется в горячей или холодной воде, образуя вязкий раствор, и не растворима в органических растворителях, таких как метанол, этанол, ацетон, хлороформ и бензол. Функциональные свойства CMC зависят от степени замещения структуры целлюлозы (т.е. от того, сколько гидроксильных групп было преобразовано в карбоксиметиленовые группы в реакции замещения, а также от длины цепи основной структуры целлюлозы и степени кластеризации карбоксиметильных заместителей. Равномерность распределения замещения и степень замещения определяют растворимость CMC. При увеличении замещения карбоксиметила, равномерности замещения будет наблюдаться увеличение растворимости CMC в воде. С увеличением концентрации раствора увеличивается и его вязкость. CMC растворима в воде при любой температуре. Карбоксиметилцеллюлоза быстро гидратируется благодаря своей чрезвычайно гигроскопичной природе. При введении в воду быстрая гидратация порошка CMC может привести к агломерации и образованию комков. Комки не образуются, если при добавлении порошка в воду применять интенсивное перемешивание или предварительно смешать порошок CMC с другими сухими ингредиентами, такими как сахар, перед добавлением в воду.

Получение карбоксиметилцеллюлозы

Карбоксиметилцеллюлоза впервые синтезирована и запатентована немецким химиком Янсеном в 1918 году. Карбоксиметилцеллюлоза является продуктом реакции целлюлозы с хлоруксусной кислотой катализируемой щелочью. Целлюлоза химически активна и растворима благодаря полярным карбоксильным группам (органическая кислота). После первичной реакции в полученной смеси образуется около 60% CMC и 40% солей (гликолят натрия и хлорид натрия). Этот продукт используется в моющих средствах и является известным техническим CMC. Для создания чистого CMC дополнительно используется процесс очистки для удаления этих солей, так что чистый CMC можно использовать для изготовления зубных паст, в фармацевтике и пищевой промышленности. Свойства растворов CMC зависят от степени полимеризации (далее СП), а также от степени и однородности замещения. Показатель степени замещения (далее СЗ) отражает среднее число карбоксиметильных групп, приходящееся на одну ангидроглюкозную единицу. Поскольку в каждой такой единице имеется три центра замещения (гидроксильные группы) (рис. 1), теоретически максимальное значение СЗ равно трем, но на практике оно не достигается и его не стремятся. При СЗ < 0.4 CMC становится нерастворимой в воде.

Структурная формула карбоксиметилцеллюлозы. Рисунок 1. Структура карбоксиметилцеллюлозы.

Производные целлюлозы представляют собой высокомолекулярные полимеры. Длина цепи (степень полимеризации, СП) влияет на растворимость и другие свойства растворов. Молекулярная масса полимера определяется как длиной цепи, так и степенью замещения. Небольшое увеличение молекулярной массы приводит к значительному увеличению вязкости.

Свойства карбоксиметилцеллюлозы в зависимости от структуры

Растворимость

На растворимость CMC прежде всего влияет степень полимеризации: снижение СП приводит к увеличению растворимости в воде. Целлюлозные камеди с одинаковой степенью замещения, но разной длиной цепи характеризуются раз ной растворимостью. Чем выше СЗ, тем больше растворимость в воде, и наоборот, снижение СЗ способствует ассоциированию незамещенных фрагментов целлюлозы и уменьшению растворимости в воде. При регулярном распределении заместителей вдоль цепи такое ассоциирование затрудняется, и растворимость повышается. Таким образом, целлюлозная камедь с меньшим значением СЗ и менее регулярным замещением будет иметь меньшую растворимость, чем камедь с той же длиной цепи, но с большей СЗ.

Вязкость

Вязкость целлюлозной камеди зависит прежде всего от длины ее цепи: чем она больше, тем больше вязкость. На вязкость влияет и степень замещения: более низкие значения СЗ и нерегулярное распределение карбоксиметильных групп приводит к ассоциированию (см. выше). Менее растворимая целлюлоза характеризуется более высокой вязкостью и влагоудерживающей способностью, то есть на вязкость растворов КМЦ влияют и СЗ, и СП.

Диспергирование

Вязкость целлюлозной камеди зависит прежде всего от длины ее цепи: чем она больше, тем больше вязкость. На вязкость влияет и степень замещения: более низкие значения СЗ и нерегулярное распределение карбоксиметильных групп приводит к ассоциированию. Менее растворимая целлюлоза характеризуется более высокой вязкостью и влагоудерживающей способностью, то есть на вязкость растворов CMC влияют и СЗ, и СП.

Использование и применение CMC

Целлюлоза является одним из самых распространенных органических материалов на планете. Целлюлоза является неотъемлемой частью всех растений. Для упаковочной, бумажной и текстильной промышленности наиболее предпочтительным сырьем является целлюлоза. Одним из наиболее значимых коммерческих эфиров целлюлозы является карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ). CMC используется в качестве загустителя или модификатора вязкости в пищевых продуктах под названием E466 или E469 (при ферментативном гидролизе). CMC также используется для стабилизации эмульсий во многих продуктах, например, в мороженом. CMC также входит в состав многих непищевых продуктов, например, многоразовых термоупаковок, текстильных проклеек, моющих средств, красок на водной основе, таблеток для похудения, слабительных, зубной пасты и множества бумажных изделий.

CMC в ветеринарии

В ветеринарии крупных животных, таких как лошади, CMC используется при абдоминальных операциях, а также для предотвращения образования спаек в кишечнике.

CMC в пищевой промышленности

CMC используется в пищевых продуктах в качестве вспомогательного агента при сбивании мороженого, кремов и молочных продуктов, в качестве вспомогательного средства для образования гелей в желатинах и пудингах, а также в качестве загустителя в заправках и начинках для салатов. Карбоксиметилцеллюлоза также используется в качестве суспендирующего агента во фруктовых соках, в качестве защитного коллоида в эмульсиях и майонезе, в качестве защитного агента для покрытия поверхности фруктов и в качестве стабилизатора в готовых к выпечке продуктах.

CMC позволяет добиться экономии, помогая уменьшить количество жира или яичного желтка, которые используются при производстве печенья. CMC можно использовать при приготовлении конфет, поскольку она улучшает качество и текстуру конфет и гарантирует равномерное распределение во вкусовых маслах. CMC используется в качестве эмульгатора в арахисовом масле, различных видах маргарина и жевательных резинках.

Поскольку CMC не метаболизируется в организме человека, она была одобрена для использования в низкокалорийных продуктах.

Строительная промышленность

В составах большинства цементов и строительных материалов используется CMC, который действует как гидрофильный агент и стабилизатор. CMC увеличивает диспергирование песка в цементе и усиливает адгезивное действие песка. CMC также используется в качестве клея для обивки мебели.

CMC в качестве связующего для электродов

В современных аккумуляторных системах (литий-ионные аккумуляторы), особенно с графитовыми анодами, CMC иногда используется в качестве связующего для электродов. Растворимость CMC в воде позволяет проводить менее токсичную и менее дорогостоящую переработку по сравнению с нерастворимыми в воде связующими, например, традиционным поливинилиденфторидом (PVDF). Для переработки PVDF требуется токсичный N-метилпирролидон (NMP). Для электродов, которым требуется дополнительная гибкость, CMC часто используется в сочетании со стирол-бутадиеновым каучуком (SBR).

Твердые полимерные электролиты из карбоксиметилцеллюлозы

Разработка новой полимерной электролитной системы за последние три десятилетия стала важной частью исследований из-за необходимости поиска электролитов новых типов для применения в многочисленных электрохимических устройствах. По сравнению с гелевыми и жидкими полимерными электролитами твердые полимерные электролиты (SPE) обладают индивидуальными характеристиками, например, простотой изготовления, гибкостью, низким саморазрядом в батареях, отсутствием утечек и хорошей совместимостью с электролитами. Благодаря их замечательным электрическим и механическим характеристикам в настоящее время огромное внимание привлекают полимерные электролиты, которые получают из природных полимеров, таких как целлюлоза, и производных крахмала, таких как карбоксиметилцеллюлоза (CMC), метилцеллюлоза (MC) и гидроксилэтилцеллюлоза (HEC). CMC обладает амфифильными свойствами. CMC также обладает многими гидрофильными карбоксильными группами и гидрофобной полисахаридной основой. На основе CMC были изготовлены твердые полимерные электролиты, которые представляли собой прозрачную пленку. При комнатной температуре (303 К) образец обладал наивысшей ионной проводимостью 2,11×10^-5 С/см^-1.

СМС в моющих средствах

Крупнейшим потребителем CMC является индустрия моющих средств. Чаще всего композиции CMC технической чистоты используются для производства моющих средств и мыла. CMC действует как ингибитор повторного отложения жира в ткани после того, как он был удален моющим средством.

СМС в клеях

Карбоксиметилцеллюлозу добавляют в многочисленные составы клеев, которые используются практически для любых материалов. КМЦ широко используется в кожевенной промышленности. При соединении КМЦ с фенолформальдегидом и крахмалом образуются клеи, которые соединяют древесину с другой древесиной.

CMC в косметике

CMC используется в материалах для изготовления слепков, а также в зубных пастах и гелях. CMC используется в качестве пленкообразователя, стабилизатора, загустителя в кремах, лосьонах, шампунях.

СМС в фармакологии

CMC используется для покрытия таблеток с высокой степенью чистоты и низкой вязкостью. CMC нерастворим в кислой среде желудка, но растворим с основной среде кишечника. Карбоксиметилцеллюлоза используется для образования гелей, транспортировки лекарств, для распада таблеток и пр.

СМС в производстве пластмасс

Основное применение СМС в индустрии пластмасс – повышение вязкости.

СМС в нефтедобыче

Карбоксиметилцеллюлоза используется в буровом шламе в качестве загустителя и применяется при извлечении сверла из скважины во избежание образования отложений.

CМС в бумажной промышленности

Покрытие СМС снижает расход воска в вощеной бумаге и картоне, обеспечивая меньшее проникновение воска в бумагу. Аналогично снижается расход печатной краски за счет придаваемой поверхности блеска. СМС делает бумагу более устойчивой к жирам, улучшает сцепление между волокнами, тем самым улучшая цвет бумаги.

СМС в медицине

Наиболее инновационные применения СМС находятся в области медицины. Растворы СМС используются для образования гелей, которые используются в хирургии сердца, грудной клетки, роговицы. В области ортопедии растворы СМС используются для смазывания суставов. Она используется после хирургических вмешательств на горле, носу и ухе в качестве тканевой повязки. Для очистки белков методом ионообменной хроматографии в качестве катионообменной смолы используется нерастворимая микрогранулированная КМЦ. CMC используется в пакетах со льдом для образования эвтектической смеси, что приводит к более низкой температуре замерзания, и, таким образом, охлаждающая способность CMC больше, чем у льда.

CMC в водных растворах

Водные растворы CMC используется для диспергирования углеродных нанотрубок. Нанотрубки «обворачиваются» длинными молекулами CMC и лучше диспергируются в воде.

Заключение

Карбоксиметилцеллюлоза – превосходное соединение, особенно из-за всех тех замечательных свойств, которыми обладает. Все характеристики, свойства и широкий спектр применения были упомянуты в статье выше, чтобы доказать, что CMC действительно является превосходным и очень полезным продуктом для всех отраслей промышленности.