Натрій карбоксиметилцелюлоза: застосування та властивості

Натрій карбоксиметилцелюлоза знаходить широке застосування в промисловості, фармацевтиці та виробництві харчових продуктів. Дане з’єднання виготовляється на основі деревини, і є біологічно інертним матеріалом, тобто не бере участь у фізіологічних процесах. Завдяки особливим властивостям розчинів з цим компонентом можна регулювати в’язкість речовин та інші технічні параметри.

Опис

Натрій карбоксиметилцелюлоза (КМЦ) – це натрієва сіль целлюлозогликолевой кислоти. Хімічна назва з’єднання за номенклатурою ІЮПАК: полі-1,4-β-Про-карбоксиметил-Д-пиранозил-Д-гликопираноза натрію.

Емпірична формула натрій карбоксиметилцелюлози технічної: [С6Н7 O2 (OH)3-x (OCH2 COONa)x]n. У цьому виразі x – це ступінь заміщення з груп CH2-COOH, а n – ступінь полімеризації.

Структурна формула зображена на малюнку нижче.

Властивості

За зовнішнім виглядом технічна натрій карбоксиметилцелюлоза являє собою порошкоподібний, дрібнозернистий або волокнистий матеріал без запаху з насипною щільністю 400-800 кг/м3.

Na-КМЦ володіє наступними характеристиками:

• молекулярна маса сполуки – [236]n;

• швидко розчиняється як у гарячій, так і в холодній воді не розчиняється в мінеральних маслах і органічних рідинах;

• формує плівки, стійкі до впливу масел, мастил і органічних розчинників;

• збільшує в’язкість розчинів і надає їм тиксотропність – при зростанні механічного впливу відбувається зниження опору потоку;

• добре поглинає водяні пари з повітря, тому речовина необхідно зберігати в сухих приміщеннях (у звичайних умовах містить 9-11 % вологи);

• з’єднання нетоксичне, не вибухонебезпечний, але в пилоподібному стані здатне займатися (температура самозаймання +212 °C);

• у розчинах проявляє властивості аніонного поліелектроліту.

При зміні температури лабораторна в’язкість натрій карбоксиметилцелюлози в розчинах сильно варіює. Це є однією з найважливіших характеристик даного з’єднання, яка зумовлює області його застосування. Висока ступінь полімеризації забезпечує велику в’язкість і навпаки. При pH<6 9 зниження опору потоку значно падає. Тому дану сіль доцільно застосовувати в нейтральних і слаболужних середовищах. Зміни в’язкості при нормальних умовах є оборотними.

Натрій карбоксиметилцелюлоза також володіє хімічною сумісністю з багатьма іншими речовинами (крохмаль, желатин, гліцерин, водорозчинні смоли, латекси). При нагріванні до температури понад 200 °C відбувається розкладання солі до карбонату натрію.

Основним фактором, що впливає на характеристики цього з’єднання, є ступінь полімеризації. Від молекулярного ваги залежать розчинність, стабільність, механічні властивості і гігроскопічність. Речовина випускають семи марок за ступенем полімеризації і двох сортів за вмістом основної речовини.

Отримання

У промислових масштабах натрій карбоксиметилцелюлоза виготовляється з 1946 р. Виробництво КМЦ в даний час складає не менше 47 % від загального обсягу ефірів целюлози.

Основною сировиною для синтезу цієї сполуки є деревна целюлоза – найбільш поширений органічний полімер. Його перевагами є невисока ціна, біологічна разлагаемость, відсутність токсичності і простота технологічного процесу переробки.

Натрій карбоксиметилцелюлозу отримують при лужної реакції целюлози з C₂H₃ClO₂ (монохлоруксусная кислота) або її натрієвою сіллю. В останні роки ведуться роботи з вишукування нових джерел для видобутку сировини (льон, солома, злаки, джут, сизаль та інші), так як потреби в цьому матеріалі постійно зростають. Для поліпшення якості речовини застосовують відмивання готової солі від домішки, що виробляють активацію целюлози або впливають на неї мікрохвильовим випромінюванням.

Натрій карбоксиметилцелюлоза: застосування в промисловості

Завдяки своїм особливим властивостям КМЦ застосовується в наступних цілях:

• загущення різних складів, желатинирование;

• зв’язування дрібнодисперсних частинок в лакофарбових плівках (плівкоутворювання);

• використання в якості водоудерживающей агента;

• стабілізація фізичних і хімічних властивостей;

• збільшення в’язкості розчинів для рівномірного розподілу їх інгредієнтів;

• модифікація реологічних характеристик;

• запобігання коагуляції (злипання дисперсних часток).

Одним з найбільших споживачів натрій карбоксиметилцелюлози є нафтогазовидобувна промисловість, в якій це з’єднання використовується для поліпшення характеристик бурових розчинів.

Речовина також застосовується при виготовленні таких технічних продуктів:

• миючі засоби;

• поліграфічна продукція;

• розчини для будівельних оздоблювальних робіт;

• клейові склади, шлихтовальные матеріали;

• сухі будівельні суміші, цемент (для попередження утворення тріщин);

• лакофарбові матеріали;

• мастильно-охолоджуючі рідини;

• середовища для гартування рейок;

• обмазка зварювальних електродів та інші.

Для стабілізації піни натрій карбоксиметилцелюлоза застосовується в пожежогасінні, харчової промисловості, при виготовленні парфумерних засобів і керамічних виробів. За оцінками технічних фахівців, це з’єднання використовується більш ніж в 200 областях техніки і медицини.

Захисні покриття

Одним з перспективних напрямків є введення наночастинок, синтезованих з суспензій КМЦ, в якості добавок-стабілізаторів в корозійностійкі покриття. Це дозволяє змінити структуру полімерів, підвищити адгезію з основним матеріалом, поліпшити фізико-механічні властивості покриття без істотного подорожчання складу. Наночастинки формують мікроглобули, дозволяючи отримати композити з цінними технічними властивостями.

Перевагою такої добавки також є те, що вона екологічно нешкідлива і биоразлагаема. Для її виробництва не вимагається застосування органічних розчинників, тому зменшується ризик забруднення стічних вод і атмосфери, не треба використовувати спеціалізоване обладнання та високий діапазон температур.

Харчова добавка

Натрій карбоксиметилцелюлоза застосовується в якості харчової добавки (E-466) в концентрації не більше 8 г/кг. Речовина виконує в продуктах кілька функцій:

• загущення;

• стабілізація властивостей;

• утримання вологи;

• продовження терміну зберігання;

• збереження харчових волокон після розморожування.

Найчастіше це з’єднання додають у фастфуд, морозиво, кондитерські вироби, мармелад, желе, плавлені сири, маргарин, йогурти, рибні консерви.

Медицина та косметологія

У фармацевтичній промисловості натрієву сіль карбоксиметилцелюлози використовують такі групи препаратів, як:

• очні краплі, розчини для ін’єкцій – для пролонгування терапевтичної дії;

• оболонки таблеток – для регулювання вивільнення активної речовини;

• емульсії, гелі та мазі – для стабілізації формоутворювальних речовин;

• антацидні препарати – як іонообмінних і комплексоутворюючих компонентів.

У виробництві гігієнічних і косметичних засобів це з’єднання застосовують у складі зубних паст, шампунів, гелів для гоління і душа, кремів. Основна функція – стабілізація властивостей і поліпшення текстури.

Вплив на організм людини і тварин

Натрій карбоксиметилцелюлоза гіпоалергенна, біологічно неактивна, не володіє канцерогенною дією і не погіршує репродуктивну функцію живих організмів. Вживання в якості харчових добавок до безпечної концентрації не призводить до негативних наслідків. Пил з’єднання може викликати роздратування при попаданні в очі і верхні дихальні шляхи (ГДК аерозолю становить 10 мг/м3).

Плівки з вмістом натрієвої солі вивільняють активний компонент в лужному середовищі кишечнику. З’єднання виводиться з організму людини і тварин у незмінному вигляді. У водних об’єктах господарського призначення речовина належить до третього класу небезпеки (помірно небезпечний). ГДК в цьому випадку становить 2 мг/л.