Bereiding van carboxymethylcellulose

Carboxymethylcellulose (CMC)is een veelzijdig, in water oplosbaar polymeer, afgeleid van cellulose, een natuurlijk polysacharide dat voorkomt in celwanden van planten. CMC vindt uitgebreide toepassingen in diverse industrieën, waaronder de voedingsmiddelen-, farmaceutische, cosmetica-, textiel-, papier- en vele andere industrieën, vanwege de unieke eigenschappen zoals verdikking, stabilisatie, binding, filmvorming en waterretentie. De bereiding van CMC omvat verschillende stappen, beginnend met de extractie van cellulose uit natuurlijke bronnen, gevolgd door de modificatie ervan om carboxymethylgroepen te introduceren.

1. Extractie van cellulose:
De eerste stap in de bereiding van CMC is de extractie van cellulose uit natuurlijke bronnen zoals houtpulp, katoenvezels of andere plantaardige vezels. De cellulose wordt doorgaans verkregen via een reeks processen, waaronder pulpverwerking, bleken en zuivering. Houtpulp kan bijvoorbeeld worden verkregen door mechanische of chemische pulpverwerking, gevolgd door bleken met chloor of waterstofperoxide om onzuiverheden en lignine te verwijderen.

2. Activering van cellulose:
Nadat cellulose is geëxtraheerd, moet deze worden geactiveerd om de introductie van carboxymethylgroepen te vergemakkelijken. Activering wordt meestal bereikt door cellulose te behandelen met alkali zoals natriumhydroxide (NaOH) of natriumcarbonaat (Na2CO3) onder gecontroleerde omstandigheden van temperatuur en druk. Behandeling met alkali doet de cellulosevezels zwellen en verhoogt hun reactiviteit door intra- en intermoleculaire waterstofbruggen te verbreken.

3. Carboxymethyleringsreactie:
De geactiveerde cellulose ondergaat vervolgens een carboxymethyleringsreactie, waarbij carboxymethylgroepen (-CH2COOH) aan de hydroxylgroepen van de celluloseketens worden toegevoegd. Deze reactie wordt doorgaans uitgevoerd door de geactiveerde cellulose te laten reageren met natriummonochlooracetaat (SMCA) in aanwezigheid van een alkalische katalysator zoals natriumhydroxide (NaOH). De reactie kan als volgt worden weergegeven:

Cellulose + chloorazijnzuur → carboxymethylcellulose + NaCl

De reactieomstandigheden, zoals temperatuur, reactietijd, concentratie van reagentia en pH, worden zorgvuldig gecontroleerd om een ​​hoge opbrengst en de gewenste mate van substitutie (DS) te garanderen. DS verwijst naar het gemiddelde aantal carboxymethylgroepen dat per glucose-eenheid celluloseketen wordt geïntroduceerd.

4. Neutralisatie en wassen:
Na de carboxymethyleringsreactie wordt de resulterende carboxymethylcellulose geneutraliseerd om overtollige alkali en niet-gereageerd chloorazijnzuur te verwijderen. Dit wordt meestal gedaan door het product te wassen met water of een verdunde zuuroplossing, gevolgd door filtratie om de vaste CMC uit het reactiemengsel te scheiden.

5. Zuivering:
De gezuiverde CMC wordt vervolgens meerdere keren met water gewassen om onzuiverheden zoals zouten, niet-gereageerde reagentia en bijproducten te verwijderen. Filtratie of centrifugatie kan worden toegepast om de gezuiverde CMC van het waswater te scheiden.

6. Drogen:
Ten slotte wordt de gezuiverde carboxymethylcellulose gedroogd om restvocht te verwijderen en het gewenste product te verkrijgen in de vorm van een droog poeder of korrels. Het drogen kan worden uitgevoerd met verschillende methoden, zoals drogen aan de lucht, vacuümdrogen of sproeidrogen, afhankelijk van de gewenste eigenschappen van het eindproduct.

7. Karakterisering en kwaliteitscontrole:
De gedroogdeCMCHet product wordt onderworpen aan diverse karakteriseringstechnieken, zoals Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR), kernmagnetische resonantie (NMR) en viscositeitsmetingen om de chemische structuur, substitutiegraad, het molecuulgewicht en de zuiverheid te bevestigen. Er worden ook kwaliteitscontroles uitgevoerd om te garanderen dat het product voldoet aan de vereiste specificaties voor de beoogde toepassingen.

De bereiding van carboxymethylcellulose omvat verschillende stappen, waaronder de extractie van cellulose uit natuurlijke bronnen, activering, carboxymethyleringsreactie, neutralisatie, zuivering, droging en karakterisering. Elke stap vereist zorgvuldige controle van de reactieomstandigheden en -parameters om een ​​hoge opbrengst, de gewenste substitutiegraad en de kwaliteit van het eindproduct te bereiken. CMC is een veelgebruikt polymeer met diverse toepassingen dankzij zijn unieke eigenschappen en veelzijdigheid.