การเตรียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส

คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส (CMC)เป็นพอลิเมอร์ที่ละลายน้ำได้หลากหลายชนิดที่ได้จากเซลลูโลส ซึ่งเป็นโพลีแซ็กคาไรด์ธรรมชาติที่พบในผนังเซลล์ของพืช CMC มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมต่างๆ รวมถึงอาหาร ยา เครื่องสำอาง สิ่งทอ กระดาษ และอื่นๆ อีกมากมาย เนื่องจากมีคุณสมบัติพิเศษ เช่น การทำให้ข้นขึ้น การทำให้คงตัว การจับตัว การสร้างฟิล์ม และการกักเก็บน้ำ การเตรียม CMC มีหลายขั้นตอน เริ่มตั้งแต่การสกัดเซลลูโลสจากแหล่งธรรมชาติ ตามด้วยการปรับเปลี่ยนเพื่อนำกลุ่มคาร์บอกซีเมทิลเข้ามา

1. การสกัดเซลลูโลส:
ขั้นตอนแรกในการเตรียม CMC คือการสกัดเซลลูโลสจากแหล่งธรรมชาติ เช่น เยื่อไม้ เศษผ้าฝ้าย หรือเส้นใยพืชอื่นๆ โดยทั่วไปเซลลูโลสจะได้มาจากกระบวนการต่างๆ เช่น การผลิตเยื่อกระดาษ การฟอกสี และการทำให้บริสุทธิ์ ตัวอย่างเช่น เยื่อไม้จะได้มาจากกระบวนการผลิตเยื่อกระดาษด้วยเครื่องจักรหรือสารเคมี ตามด้วยการฟอกสีด้วยคลอรีนหรือไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เพื่อขจัดสิ่งเจือปนและลิกนิน

2. การกระตุ้นเซลลูโลส:
เมื่อสกัดเซลลูโลสแล้ว จำเป็นต้องกระตุ้นเซลลูโลสเพื่อให้เกิดกลุ่มคาร์บอกซีเมทิล การกระตุ้นเซลลูโลสมักทำได้โดยการใช้ด่าง เช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) หรือโซเดียมคาร์บอเนต (Na2CO3) ในสภาวะอุณหภูมิและความดันที่ควบคุม การบำบัดด้วยด่างจะทำให้เส้นใยเซลลูโลสพองตัวและเพิ่มปฏิกิริยาโดยทำลายพันธะไฮโดรเจนภายในและระหว่างโมเลกุล

3. ปฏิกิริยาคาร์บอกซีเมทิลเลชัน:
จากนั้นเซลลูโลสที่ถูกกระตุ้นจะถูกนำไปทำปฏิกิริยาคาร์บอกซีเมทิลเลชัน โดยกลุ่มคาร์บอกซีเมทิล (-CH2COOH) จะถูกนำไปใส่ในกลุ่มไฮดรอกซิลของโซ่เซลลูโลส ปฏิกิริยานี้มักเกิดขึ้นโดยทำปฏิกิริยาเซลลูโลสที่ถูกกระตุ้นกับโซเดียมโมโนคลอโรอะซิเตท (SMCA) โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีฤทธิ์เป็นด่าง เช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) ปฏิกิริยานี้สามารถแสดงได้ดังนี้:

เซลลูโลส + กรดคลอโรอะซิติก → คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส + NaCl

สภาวะของปฏิกิริยาต่างๆ เช่น อุณหภูมิ เวลาในการเกิดปฏิกิริยา ความเข้มข้นของสารเคมี และค่า pH ได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้ผลผลิตสูงและระดับการทดแทนที่ต้องการ (DS) ซึ่งหมายถึงจำนวนเฉลี่ยของกลุ่มคาร์บอกซีเมทิลที่นำเข้ามาต่อหน่วยกลูโคสของโซ่เซลลูโลส

4. การทำให้เป็นกลางและการล้าง:
หลังจากปฏิกิริยาคาร์บอกซีเมทิลเลชัน คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสที่ได้จะถูกทำให้เป็นกลางเพื่อกำจัดกรดคลอโรอะซิติกและด่างส่วนเกินที่ยังไม่เกิดปฏิกิริยา โดยทั่วไปจะทำได้โดยการล้างผลิตภัณฑ์ด้วยน้ำหรือสารละลายกรดเจือจาง แล้วกรองเพื่อแยก CMC ที่เป็นของแข็งออกจากส่วนผสมของปฏิกิริยา

5. การฟอก:
จากนั้นล้าง CMC ที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์ด้วยน้ำหลายๆ ครั้งเพื่อกำจัดสิ่งเจือปน เช่น เกลือ สารรีเอเจนต์ที่ไม่ทำปฏิกิริยา และผลพลอยได้ อาจใช้การกรองหรือการปั่นเหวี่ยงเพื่อแยก CMC ที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์ออกจากน้ำล้าง

6. การทำให้แห้ง:
ในที่สุด คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์จะถูกทำให้แห้งเพื่อกำจัดความชื้นที่เหลือ และให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการในรูปแบบผงแห้งหรือเม็ดเล็ก ๆ การทำให้แห้งสามารถทำได้หลายวิธี เช่น การทำให้แห้งด้วยลม การทำให้แห้งด้วยสุญญากาศ หรือการพ่นละออง ขึ้นอยู่กับลักษณะที่ต้องการของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

7. การกำหนดคุณลักษณะและการควบคุมคุณภาพ:
แห้งซีเอ็มซีผลิตภัณฑ์ต้องผ่านเทคนิคการวิเคราะห์ลักษณะต่างๆ เช่น สเปกโตรสโคปีอินฟราเรดแบบแปลงฟูเรียร์ (FTIR) เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) และการวัดความหนืด เพื่อยืนยันโครงสร้างทางเคมี ระดับการทดแทน น้ำหนักโมเลกุล และความบริสุทธิ์ นอกจากนี้ ยังดำเนินการทดสอบการควบคุมคุณภาพเพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์เป็นไปตามข้อกำหนดที่จำเป็นสำหรับการใช้งานตามจุดประสงค์

การเตรียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสเกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอน ได้แก่ การสกัดเซลลูโลสจากแหล่งธรรมชาติ การกระตุ้น ปฏิกิริยาคาร์บอกซีเมทิลเลชัน การทำให้เป็นกลาง การทำให้บริสุทธิ์ การทำให้แห้ง และการกำหนดลักษณะเฉพาะ แต่ละขั้นตอนต้องควบคุมสภาวะและพารามิเตอร์ของปฏิกิริยาอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้ผลผลิตสูง ระดับการทดแทนที่ต้องการ และคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย CMC เป็นพอลิเมอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งมีการใช้งานที่หลากหลายเนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะและความหลากหลาย