การเตรียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส

คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส (CMC)เป็นโพลีเมอร์ที่ละลายน้ำได้อเนกประสงค์ซึ่งได้มาจากเซลลูโลส ซึ่งเป็นโพลีแซ็กคาไรด์ธรรมชาติที่พบในผนังเซลล์พืช CMC พบการใช้งานอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมต่างๆ รวมถึงอาหาร ยา เครื่องสำอาง สิ่งทอ กระดาษ และอื่นๆ อีกมากมาย เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัว เช่น การเพิ่มความข้น การคงตัว การยึดเกาะ การขึ้นรูปฟิล์ม และการกักเก็บน้ำ การเตรียม CMC เกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอนโดยเริ่มจากการสกัดเซลลูโลสจากแหล่งธรรมชาติ ตามด้วยการปรับเปลี่ยนเพื่อแนะนำหมู่คาร์บอกซีเมทิล

1. การสกัดเซลลูโลส:
ขั้นตอนแรกในการเตรียม CMC คือการสกัดเซลลูโลสจากแหล่งธรรมชาติ เช่น เยื่อไม้ สำลี หรือเส้นใยพืชอื่นๆ โดยทั่วไปเซลลูโลสจะได้มาจากกระบวนการต่างๆ มากมาย เช่น การทำเยื่อกระดาษ การฟอกสี และการทำให้บริสุทธิ์ ตัวอย่างเช่น เยื่อไม้สามารถได้รับโดยกระบวนการผลิตเยื่อเชิงกลหรือทางเคมี ตามด้วยการฟอกขาวด้วยคลอรีนหรือไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เพื่อกำจัดสิ่งเจือปนและลิกนิน

2. การเปิดใช้งานเซลลูโลส:
เมื่อสกัดเซลลูโลสแล้ว จะต้องกระตุ้นเพื่ออำนวยความสะดวกในการแนะนำหมู่คาร์บอกซีเมทิล การกระตุ้นโดยปกติทำได้โดยการบำบัดเซลลูโลสด้วยด่าง เช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) หรือโซเดียมคาร์บอเนต (Na2CO3) ภายใต้สภาวะควบคุมอุณหภูมิและความดัน การบำบัดด้วยอัลคาไลจะทำให้เส้นใยเซลลูโลสขยายตัวและเพิ่มปฏิกิริยาโดยการทำลายพันธะไฮโดรเจนภายในและระหว่างโมเลกุล

3. ปฏิกิริยาคาร์บอกซีเมทิลเลชั่น:
เซลลูโลสที่ถูกกระตุ้นแล้วจะถูกนำไปผ่านปฏิกิริยาคาร์บอกซีเมทิลเลชัน โดยที่กลุ่มคาร์บอกซีเมทิล (-CH2COOH) ถูกนำเข้าสู่กลุ่มไฮดรอกซิลของสายโซ่เซลลูโลส โดยทั่วไปปฏิกิริยานี้จะดำเนินการโดยการทำปฏิกิริยาเซลลูโลสที่ถูกกระตุ้นด้วยโซเดียมโมโนคลอโรอะซิเตต (SMCA) ต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นด่าง เช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) ปฏิกิริยาสามารถแสดงได้ดังนี้:

เซลลูโลส + กรดคลอโรอะซิติก → คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส + NaCl

สภาวะของปฏิกิริยาซึ่งรวมถึงอุณหภูมิ เวลาปฏิกิริยา ความเข้มข้นของรีเอเจนต์ และ pH ได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าได้ผลผลิตสูงและระดับการทดแทน (DS) ที่ต้องการ ซึ่งอ้างอิงถึงจำนวนเฉลี่ยของหมู่คาร์บอกซีเมทิลที่นำมาใช้ต่อหน่วยกลูโคสของสายโซ่เซลลูโลส

4. การทำให้เป็นกลางและการซัก:
หลังจากปฏิกิริยาคาร์บอกซีเมทิลเลชัน คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสที่ได้จะถูกทำให้เป็นกลางเพื่อกำจัดอัลคาไลส่วนเกินและกรดคลอโรอะซิติกที่ไม่ทำปฏิกิริยา โดยทั่วไปสามารถทำได้โดยการล้างผลิตภัณฑ์ด้วยน้ำหรือสารละลายกรดเจือจางตามด้วยการกรองเพื่อแยก CMC ที่เป็นของแข็งออกจากของผสมปฏิกิริยา

5. การทำให้บริสุทธิ์:
จากนั้น CMC บริสุทธิ์จะถูกล้างด้วยน้ำหลายครั้งเพื่อขจัดสิ่งเจือปน เช่น เกลือ สารรีเอเจนต์ที่ไม่ทำปฏิกิริยา และผลิตภัณฑ์พลอยได้ อาจใช้การกรองหรือการหมุนเหวี่ยงเพื่อแยก CMC บริสุทธิ์ออกจากน้ำล้าง

6. การอบแห้ง:
สุดท้ายคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสบริสุทธิ์จะถูกทำให้แห้งเพื่อขจัดความชื้นที่ตกค้างและได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการในรูปของผงแห้งหรือแกรนูล การอบแห้งสามารถทำได้โดยใช้วิธีการต่างๆ เช่น การอบแห้งด้วยลม การทำให้แห้งแบบสุญญากาศ หรือการอบแห้งแบบพ่นฝอย ขึ้นอยู่กับคุณลักษณะที่ต้องการของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

7. ลักษณะและการควบคุมคุณภาพ:
การอบแห้งซีเอ็มซีผลิตภัณฑ์ต้องผ่านเทคนิคการระบุลักษณะเฉพาะต่างๆ เช่น ฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มอินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (FTIR) เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) และการวัดความหนืดเพื่อยืนยันโครงสร้างทางเคมี ระดับของการทดแทน น้ำหนักโมเลกุล และความบริสุทธิ์ การทดสอบการควบคุมคุณภาพยังดำเนินการเพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดที่จำเป็นสำหรับการใช้งานที่ต้องการ

การเตรียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสเกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอนรวมถึงการสกัดเซลลูโลสจากแหล่งธรรมชาติ การกระตุ้น ปฏิกิริยาคาร์บอกซีเมทิลเลชัน การทำให้เป็นกลาง การทำให้บริสุทธิ์ การทำให้แห้ง และการระบุลักษณะเฉพาะ แต่ละขั้นตอนต้องมีการควบคุมเงื่อนไขและพารามิเตอร์ของปฏิกิริยาอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้ผลผลิตสูง ระดับการทดแทนที่ต้องการ และคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย CMC เป็นโพลีเมอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและมีการใช้งานที่หลากหลาย เนื่องจากมีคุณสมบัติเฉพาะตัวและมีความสามารถรอบด้าน