Herstellungsverfahren und Anwendungsbereich von Natriumcarboxymethylcellulose (CMC)

Natriumcarboxymethylcellulose (CMC) ist ein anionischer, geradkettiger, wasserlöslicher Celluloseether, der durch chemische Modifizierung aus natürlicher Cellulose und Chloressigsäure gewonnen wird. Seine wässrige Lösung dient der Verdickung, Filmbildung, Bindung, Wasserrückhaltung, dem kolloidalen Schutz, der Emulgierung und Suspension und kann als Flockungsmittel, Chelatbildner, Emulgator, Verdickungsmittel, Wasserrückhaltemittel, Schlichtemittel, Filmbildner usw. eingesetzt werden. Sie findet breite Anwendung in der Lebensmittel-, Medizin-, Elektronik-, Pflanzenschutzmittel-, Leder-, Kunststoff-, Druck-, Keramik- und Kosmetikindustrie sowie in weiteren Bereichen.

Natriumcarboxymethylcellulose ist im Allgemeinen ein pulverförmiges, manchmal körniges oder faseriges Feststoffpulver von weißer bis hellgelber Farbe. Es ist geruchlos und eine makromolekulare chemische Substanz mit starker Benetzbarkeit. In Wasser löst es sich und bildet eine viskose, hochtransparente Lösung. In gängigen organischen Lösungsmitteln wie Ethanol, Ether, Chloroform und Benzol ist es unlöslich, in Wasser hingegen löst es sich. Die direkte Lösung in Wasser verläuft relativ langsam, die Löslichkeit ist jedoch dennoch sehr hoch, und die wässrige Lösung weist eine gewisse Viskosität auf. Der Feststoff ist unter normalen Umgebungsbedingungen stabiler, da er eine gewisse Wasseraufnahme und Feuchtigkeitsaufnahme aufweist. In trockener Umgebung kann er lange aufbewahrt werden.

① Produktionsprozess

1. Wassermediummethode

Das Wasser-Kohle-Verfahren ist ein relativ frühes Produktionsverfahren in der industriellen Herstellung von Natriumcarboxymethylcellulose. Dabei reagieren Alkalicellulose und Veretherungsmittel in einer wässrigen Lösung, die freie Sauerstoffoxidionen enthält. Als Reaktionsmedium dient Wasser, organische Lösungsmittel werden nicht verwendet.

2. Lösungsmittelmethode

Das Lösungsmittelverfahren ist ein auf dem Wassermediumverfahren basierendes Produktionsverfahren, bei dem Wasser durch ein organisches Lösungsmittel als Reaktionsmedium ersetzt wird. Es handelt sich um einen Prozess der Alkalisierung und Veretherung von Alkalicellulose und Monochloressigsäure in einem organischen Lösungsmittel. Je nach Menge des Reaktionsmediums kann zwischen dem Knetverfahren und dem Schwimmsuspensionsverfahren unterschieden werden. Beim Knetverfahren wird deutlich mehr organisches Lösungsmittel eingesetzt als beim Knetverfahren. Die Menge des verwendeten organischen Lösungsmittels entspricht beim Knetverfahren dem Volumengewicht der Cellulose, während sie beim Schwimmsuspensionsverfahren dem Volumengewicht der Cellulose entspricht. Bei der Herstellung von Natriumcarboxymethylcellulose mittels des Schwimmsuspensionsverfahrens liegt der Reaktionsfeststoff im System als Suspension vor; daher wird das Schwimmsuspensionsverfahren auch als Suspensionsverfahren bezeichnet.

3. Suspensionsverfahren

Das Slurry-Verfahren ist die neueste Technologie zur Herstellung von Natriumcarboxymethylcellulose. Es ermöglicht die Produktion von hochreiner Natriumcarboxymethylcellulose sowie von Cellulose mit hohem und gleichmäßigem Substitutionsgrad. Der Produktionsprozess verläuft im Wesentlichen wie folgt: Zu Pulver vermahlener Baumwollzellstoff wird in eine mit Isopropanol bestückte Vertikalalkaliisierungsanlage gegeben. Unter Rühren wird Natriumhydroxidlösung zugegeben und die Alkalisierung bei ca. 20 °C durchgeführt. Anschließend wird das Material in eine Vertikaletherisierungsanlage gepumpt. Dort wird Chloressigsäure in Isopropanol zugegeben, und die Etherifizierung erfolgt bei ca. 65 °C. Je nach Produktverwendung und Qualitätsanforderungen können Alkalisierungskonzentration, Alkalisierungsdauer, Menge des Etherifizierungsmittels und weitere Prozessparameter angepasst werden.

② Anwendungsbereich

1. CMC ist nicht nur ein guter Emulgier-, Stabilisator- und Verdickungsmittel in Lebensmittelanwendungen, sondern weist auch eine ausgezeichnete Gefrier- und Schmelzstabilität auf und kann den Produktgeschmack verbessern und die Lagerzeit verlängern.

2. Im Waschmittel kann CMC als Antifouling- und Wiederablagerungsmittel eingesetzt werden, insbesondere für hydrophobe synthetische Fasergewebe, wobei die Antifouling- und Wiederablagerungswirkung deutlich besser ist als bei Carboxymethylfasern.

3. Bei Ölbohrungen kann es zum Schutz von Ölquellen als Schlammstabilisator und Wasserrückhaltemittel eingesetzt werden. Die Menge beträgt 2 bis 3 Tonnen pro Ölquelle bei flachen Bohrungen und 5 bis 6 Tonnen bei tiefen Bohrungen.

4. Wird in der Textilindustrie als Schlichtemittel, Verdickungsmittel für Druck- und Färbeschlämme sowie als Textildruck- und Versteifungsmittel verwendet.

5. Es wird als Beschichtungs-Antisedimentmittel, Emulgator, Dispergiermittel, Verlaufsmittel und Klebstoff verwendet und sorgt dafür, dass sich der Feststoffanteil der Farbe gleichmäßig im Lösungsmittel verteilt, sodass sich die Farbe über lange Zeit nicht absetzt. Es wird aber auch in Spachtelmassen eingesetzt.

6. Als Flockungsmittel bei der Entfernung von Calciumionen ist es wirksamer als Natriumgluconat; als Kationenaustauscher beträgt seine Austauschkapazität bis zu 1,6 ml/g.

7. In der Papierindustrie wird es als Leimungsmittel eingesetzt und kann die Trockenfestigkeit und Nassfestigkeit des Papiers sowie die Ölbeständigkeit, die Tintenaufnahme und die Wasserbeständigkeit deutlich verbessern.

8. Als Hydrolat in Kosmetika wird es als Verdickungsmittel in Zahnpasta verwendet; seine Dosierung beträgt etwa 5%.

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