Натрий карбоксиметилцеллюлоза: применение и свойства

Натрий карбоксиметилцеллюлоза находит широкое применение в промышленности, фармацевтике и производстве пищевых продуктов. Данное соединение изготавливается на основе древесины и является биологически инертным материалом, то есть не участвует в физиологических процессах. Благодаря особым свойствам растворов с этим компонентом можно регулировать вязкость веществ и другие технические параметры.

Описание

Натрий карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) – это натриевая соль целлюлозогликолевой кислоты. Химическое название соединения по номенклатуре ИЮПАК: поли-1,4-β-О-карбоксиметил-Д-пиранозил-Д-гликопираноза натрия.

Эмпирическая формула натрий карбоксиметилцеллюлозы технической: [С6Н7 O₂ (OH)_3-x (OCH₂ COONa)_x]_n. В этом выражении x – это степень замещения по группам CH₂-COOH, а n – степень полимеризации.

Структурная формула изображена на рисунке ниже.

Свойства

По внешнему виду техническая натрий карбоксиметилцеллюлоза представляет собой порошкообразный, мелкозернистый или волокнистый материал без запаха с насыпной плотностью 400–800 кг/м³.

Na-КМЦ обладает следующими характеристиками:

• молекулярная масса соединения – [236]_n;

• быстро растворяется как в горячей, так и в холодной воде, не растворима в минеральных маслах и органических жидкостях;

• формирует пленки, устойчивые к воздействию масел, смазок и органических растворителей;

• увеличивает вязкость растворов и придает им тиксотропность – при росте механического воздействия происходит снижение сопротивления потоку;

• хорошо поглощает водяные пары из воздуха, поэтому вещество необходимо хранить в сухих помещениях (в обычных условиях содержит 9-11 % влаги);

• соединение нетоксично, не взрывоопасно, но в пылевидном состоянии способно воспламеняться (температура самовоспламенения +212 °C);

• в растворах проявляет свойства анионного полиэлектролита.

При изменении температуры лабораторная вязкость натрий карбоксиметилцеллюлозы в растворах сильно варьирует. Это является одной из важнейших характеристик данного соединения, которая предопределяет области его применения. Высокая степень полимеризации обеспечивает большую вязкость и наоборот. При pH<6 или более 9 снижение сопротивления потоку значительно падает. Поэтому данную соль целесообразно применять в нейтральных и слабощелочных средах. Изменения вязкости при нормальных условиях являются обратимыми.

Натрий карбоксиметилцеллюлоза также обладает химической совместимостью со многими другими веществами (крахмал, желатин, глицерин, водорастворимые смолы, латексы). При нагревании до температуры свыше 200 °C происходит разложение соли до карбоната натрия.

Основным фактором, влияющим на характеристики этого соединения, является степень полимеризации. От молекулярного веса зависят растворимость, стабильность, механические свойства и гигроскопичность. Вещество выпускают семи марок по степени полимеризации и двух сортов по содержанию основного вещества.

Получение

В промышленных масштабах натрий карбоксиметилцеллюлоза изготавливается с 1946 г. Производство КМЦ в настоящее время составляет не менее 47 % от общего объема эфиров целлюлозы.

Основным сырьем для синтеза данного соединения является древесная целлюлоза – самый распространенный органический полимер. Его преимуществами являются невысокая цена, биологическая разлагаемость, отсутствие токсичности и простота технологического процесса переработки.

Натрий карбоксиметилцеллюлозу получают при реакции щелочной целлюлозы с C₂H₃ClO₂ (монохлоруксусная кислота) или ее натриевой солью. В последние годы ведутся работы по изысканию новых источников для добычи сырья (лен, солома, злаки, джут, сизаль и другие), так как потребности в этом материале постоянно растут. Для улучшения качества вещества применяют отмывку готовой соли от примеси, производят активацию целлюлозы или воздействуют на нее микроволновым излучением.

Натрий карбоксиметилцеллюлоза: применение в промышленности

Благодаря своим особенным свойствам КМЦ применяется в следующих целях:

• загущение различных составов, желатинирование;

• связывание мелкодисперсных частиц в лакокрасочных пленках (пленкообразование);

• использование в качестве водоудерживающего агента;

• стабилизация физических и химических свойств;

• увеличение вязкости растворов для равномерного распределения их ингредиентов;

• модификация реологических характеристик;

• предохранение от коагуляции (слипания взвешенных частиц).

Одним из крупнейших потребителей натрий карбоксиметилцеллюлозы является нефтегазодобывающая промышленность, в которой это соединение используется для улучшения характеристик буровых растворов.

Вещество также применяется при изготовлении следующих технических продуктов:

• моющие средства;

• полиграфическая продукция;

• растворы для строительных отделочных работ;

• клеевые составы, шлихтовальные материалы;

• сухие строительные смеси, цемент (для предупреждения образования трещин);

• лакокрасочные материалы;

• смазочно-охлаждающие жидкости;

• среды для закалки рельсов;

• обмазка сварочных электродов и другие.

Для стабилизации пены натрий карбоксиметилцеллюлоза применяется в пожаротушении, пищевой промышленности, при изготовлении парфюмерных средств и керамических изделий. По оценкам технических специалистов, это соединение используется более чем в 200 областях техники и медицины.

Защитные покрытия

Одним из перспективных направлений является введение наночастиц, синтезированных из суспензий КМЦ, в качестве добавок-стабилизаторов в коррозионностойкие покрытия. Это позволяет изменить структуру полимеров, повысить адгезию с основным материалом, улучшить физико-механические свойства покрытия без существенного удорожания состава. Наночастицы формируют микрокластеры, позволяя получить композиты с ценными техническими свойствами.

Преимуществом такой добавки также является то, что она экологически безвредна и биоразлагаема. Для ее производства не требуется применения органических растворителей, поэтому уменьшается риск загрязнения сточных вод и атмосферы, не нужно использовать специализированное оборудование и высокий диапазон температур.

Пищевая добавка

Натрий карбоксиметилцеллюлоза применяется в качестве пищевой добавки (E-466) в концентрации не более 8 г/кг. Вещество выполняет в продуктах несколько функций:

• загущение;

• стабилизация свойств;

• удержание влаги;

• продление срока хранения;

• сохранение пищевых волокон после размораживания.

Чаще всего это соединение добавляют в фастфуд, мороженое, кондитерские изделия, мармелад, желе, плавленые сыры, маргарин, йогурты, рыбные консервы.

Медицина и косметология

В фармацевтической промышленности натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы используют в таких группах препаратов, как:

• глазные капли, растворы для инъекций – для пролонгирования терапевтического действия;

• оболочки таблеток – для регулирования высвобождения активного вещества;

• эмульсии, гели и мази – для стабилизации формообразующих веществ;

• антацидные препараты – в качестве ионнообменных и комплексообразующих компонентов.

В производстве гигиенических и косметических средств это соединение применяют в составе зубных паст, шампуней, гелей для бритья и душа, кремов. Основная функция – стабилизация свойств и улучшение текстуры.

Влияние на организм человека и животных

Натрий карбоксиметилцеллюлоза гипоаллергенна, биологически неактивна, не обладает канцерогенным действием и не ухудшает репродуктивную функцию живых организмов. Употребление в качестве пищевых добавок в безопасной концентрации не приводит к негативным последствиям. Пыль соединения может вызвать раздражение при попадании в глаза и верхние дыхательные пути (ПДК аэрозоля составляет 10 мг/м³).

Пленки с содержанием натриевой соли высвобождают активный компонент в щелочной среде кишечника. Соединение выводится из организма человека и животных в неизменном виде. В водных объектах хозяйственного назначения вещество относится к третьему классу опасности (умеренно опасное). ПДК в этом случае составляет 2 мг/л.