تهیه کربوکسی متیل سلولز

کربوکسی متیل سلولز (CMC)یک پلیمر همه کاره محلول در آب است که از سلولز که یک پلی ساکارید طبیعی است که در دیواره سلولی گیاهان یافت می شود، مشتق شده است. CMC به دلیل خواص منحصر به فرد خود مانند ضخیم شدن، تثبیت، اتصال، تشکیل فیلم و حفظ آب، کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف از جمله مواد غذایی، دارویی، آرایشی، نساجی، کاغذ و بسیاری دیگر پیدا می کند. تهیه CMC شامل چندین مرحله است که از استخراج سلولز از منابع طبیعی و سپس اصلاح آن برای معرفی گروه های کربوکسی متیل شروع می شود.

1. استخراج سلولز:
اولین مرحله در تهیه CMC استخراج سلولز از منابع طبیعی مانند خمیر چوب، الیاف پنبه یا سایر الیاف گیاهی است. سلولز معمولاً از طریق یک سری فرآیندها از جمله خمیر کردن، سفید کردن و خالص سازی به دست می آید. به عنوان مثال، خمیر چوب را می توان با فرآیندهای خمیرسازی مکانیکی یا شیمیایی و سپس سفید کردن با کلر یا پراکسید هیدروژن برای حذف ناخالصی ها و لیگنین به دست آورد.

2. فعال سازی سلولز:
هنگامی که سلولز استخراج می شود، برای تسهیل معرفی گروه های کربوکسی متیل باید فعال شود. فعال سازی معمولاً با پردازش سلولز با مواد قلیایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) یا کربنات سدیم (Na2CO3) تحت شرایط کنترل شده دما و فشار حاصل می شود. درمان قلیایی الیاف سلولزی را متورم می کند و واکنش پذیری آنها را با شکستن پیوندهای هیدروژنی درون و بین مولکولی افزایش می دهد.

3. واکنش کربوکسی متیلاسیون:
سپس سلولز فعال شده تحت واکنش کربوکسی متیلاسیون قرار می گیرد که در آن گروه های کربوکسی متیل (-CH2COOH) به گروه های هیدروکسیل زنجیره های سلولزی وارد می شوند. این واکنش معمولاً با واکنش سلولز فعال شده با مونوکلرواستات سدیم (SMCA) در حضور یک کاتالیزور قلیایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) انجام می شود. واکنش را می توان به صورت زیر نشان داد:

سلولز + کلرواستیک اسید → کربوکسی متیل سلولز + NaCl

شرایط واکنش شامل دما، زمان واکنش، غلظت معرف‌ها و pH به دقت کنترل می‌شوند تا از بازده بالا و درجه جایگزینی مطلوب (DS) اطمینان حاصل شود که به میانگین تعداد گروه‌های کربوکسی متیل معرفی‌شده در واحد گلوکز زنجیره سلولزی اشاره دارد.

4. خنثی سازی و شستشو:
پس از واکنش کربوکسی متیلاسیون، کربوکسی متیل سلولز حاصل خنثی می شود تا قلیایی اضافی و اسید کلرواستیک واکنش نداده حذف شود. این معمولاً با شستن محصول با آب یا محلول اسید رقیق و به دنبال آن فیلتراسیون برای جداسازی CMC جامد از مخلوط واکنش حاصل می شود.

5. تصفیه:
سپس CMC خالص شده چندین بار با آب شسته می شود تا ناخالصی هایی مانند نمک ها، معرف های واکنش نداده و محصولات جانبی حذف شود. ممکن است از فیلتراسیون یا سانتریفیوژ برای جداسازی CMC خالص از آب شستشو استفاده شود.

6. خشک کردن:
در نهایت کربوکسی متیل سلولز خالص شده خشک می شود تا رطوبت باقیمانده از بین برود و محصول مورد نظر به شکل پودر یا گرانول خشک به دست آید. بسته به ویژگی های محصول نهایی، خشک کردن را می توان با استفاده از روش های مختلفی مانند خشک کردن با هوا، خشک کردن با خلاء یا خشک کردن اسپری انجام داد.

7. خصوصیات و کنترل کیفیت:
خشک شدهCMCمحصول تحت تکنیک‌های مشخص‌سازی مختلفی مانند طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR)، رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) و اندازه‌گیری‌های ویسکوزیته برای تأیید ساختار شیمیایی، درجه جایگزینی، وزن مولکولی و خلوص آن قرار می‌گیرد. تست های کنترل کیفیت نیز انجام می شود تا اطمینان حاصل شود که محصول دارای مشخصات لازم برای کاربردهای مورد نظر خود است.

تهیه کربوکسی متیل سلولز شامل مراحل مختلفی از جمله استخراج سلولز از منابع طبیعی، فعال‌سازی، واکنش کربوکسی متیلاسیون، خنثی‌سازی، خالص‌سازی، خشک کردن و مشخصه‌سازی است. هر مرحله نیازمند کنترل دقیق شرایط و پارامترهای واکنش برای دستیابی به بازده بالا، درجه جایگزینی مطلوب و کیفیت محصول نهایی است. CMC یک پلیمر پرکاربرد با کاربردهای متنوع به دلیل خواص منحصر به فرد و تطبیق پذیری آن است.