Что такое карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ)? Применение, марки и характеристики

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ, CMC) — водорастворимый простой эфир целлюлозы, получаемый присоединением карбоксиметильных групп к древесной целлюлозе или целлюлозе хлопкового линта. Под названием КМЦ почти всегда продается ее натриевая соль — карбоксиметилцеллюлоза натрия, известная также как целлюлозная камедь, E466 или CAS 9004-32-4, — порошок от белого до почти белого цвета, который растворяется в холодной или горячей воде с образованием прозрачного вязкого раствора. В промышленности ее применяют как загуститель, связующее, стабилизатор, пленкообразователь и водоудерживающую добавку в самых разных продуктах — от анодов литий-ионных аккумуляторов и мороженого до буровых растворов, меловальных паст для бумаги и стиральных средств. Марку определяют три показателя: степень замещения (СЗ, DS), вязкость и чистота.

Что такое карбоксиметилцеллюлоза

Целлюлоза — это длинная цепь глюкозных звеньев, каждое из которых несет три гидроксильные группы. В КМЦ (CMC) часть этих гидроксилов превращена в карбоксиметиловые эфирные группы (–CH₂–COONa). Заряженные карбоксилатные группы делают цепь растворимой в воде и придают КМЦ анионный характер, поэтому она адсорбируется на частицах и волокнах, не дает им слипаться и загущает воду при низкой дозировке.

КМЦ (CMC) получают алкализацией целлюлозы гидроксидом натрия и этерификацией монохлоруксусной кислотой. Реакция дает побочные продукты — хлорид натрия и гликолят натрия, которые в марках для аккумуляторов и пищевых марках удаляют многократной промывкой водным спиртом. Чистоту указывают в пересчете на сухое вещество как 100 % за вычетом суммы NaCl и гликолята натрия, поэтому марка с чистотой 99.5 % содержит в сумме не более 0.5 % этих солей.

Натриевая КМЦ и КМЦ (CMC): есть ли разница?

В торговле и в большинстве спецификаций «КМЦ» (CMC) означает натриевую соль. Карбоксиметилцеллюлоза в форме свободной кислоты не растворяется в воде, поэтому почти не имеет коммерческого применения; работоспособным продукт делает именно нейтрализация до натриевой соли. Покупатель, запрашивающий «натриевую КМЦ», «CMC-Na» или «целлюлозную камедь», имеет в виду одно и то же вещество. Реальные различия между двумя продуктами КМЦ заключаются в СЗ (DS), вязкости, чистоте и форме частиц, а не в названии.

Наряду с КМЦ (CMC) часто предлагают два близкородственных продукта. Полианионная целлюлоза (ПАЦ, PAC) — это тоже карбоксиметилцеллюлоза, но с более высокой и равномерной степенью замещения, предназначенная для буровых растворов на соленой воде. Карбоксиметилкрахмал натрия (КМК, CMS) получают по той же химической схеме, но из крахмала вместо целлюлозы: это более дешевый продукт с меньшей вязкостью и меньшим сроком стабильности раствора.

Три показателя, определяющие марку КМЦ (CMC)

Степень замещения (DS)

Степень замещения (СЗ, DS) — среднее число карбоксиметильных групп на одно глюкозное звено при теоретическом максимуме 3. Более высокая СЗ улучшает растворимость, прозрачность и устойчивость к солям, жесткой воде и кислотам; марки с более низкой СЗ дешевле и подходят, например, для моющих средств. У марок Sentai СЗ составляет от 0.4–0.6 у КМЦ (CMC) для моющих средств до 0.9 и выше у марок для лакокрасочных материалов и ПАЦ (PAC) и 0.95 и выше у быстрорастворимых марок.

Вязкость

Вязкость отражает длину цепи (молекулярную массу) и определяет, сколько КМЦ (CMC) потребуется для достижения целевой густоты. Ассортимент Sentai охватывает диапазон примерно от 5 до 8 000 mPa·s — от низковязких марок для бумажной промышленности и моющих средств до высоковязких марок для бурения, горнодобывающей и пищевой промышленности.

Вязкость высоковязких марок нормируется для 1 % раствора, низковязких — для 2 % раствора, в обоих случаях при 25 °C на вискозиметре Брукфильда в пересчете на сухое вещество. Никогда не сравнивайте значения, измеренные при разных концентрациях.

Чистота

Чистота — это доля сухого продукта, которую составляет Na-КМЦ (CMC), а не побочные соли. В технических марках часть хлорида натрия и гликолята натрия остается, что допустимо для моющих средств, керамики и буровых растворов и снижает цену; чистота технических марок Sentai — примерно от 55 % до 96 %. КМЦ для аккумуляторов и пищевая КМЦ очищаются до ≥ 99.5 %, а марки для зубных паст и общепромышленного назначения находятся в диапазоне от 98 % до 99.5 %.

Для чего применяется КМЦ (CMC)

В разных отраслях КМЦ (CMC) выполняет несколько функций — загущает, связывает, удерживает частицы во взвеси, стабилизирует, удерживает воду и образует пленки, — и в каждом применении их значимость различна. В таблице основные области применения сопоставлены с линейками продукции Sentai, созданными для каждой из них.

Порошок КМЦ (CMC), гранулы или быстрорастворимая марка?

Большая часть КМЦ (CMC) поставляется в виде тонкого порошка: он гидратируется быстрее всего, но образует комки, если высыпать его в воду разом. Гранулированная КМЦ агломерирована в более крупные сыпучие частицы, которые меньше пылят и смачиваются равномернее. Быстрорастворимая КМЦ проходит поверхностную обработку, благодаря которой частицы диспергируются до набухания, — это позволяет готовить раствор без комков в простых смесителях. Sentai может адаптировать гранулометрический состав, грануляцию и поверхностную обработку к процессу заказчика.

Безопасна ли КМЦ (CMC)?

Пищевая карбоксиметилцеллюлоза натрия является разрешенной пищевой добавкой на основных рынках: E466 в Европейском союзе, INS 466 в системе Codex; в США она имеет статус общепризнанно безопасного вещества (GRAS) согласно 21 CFR 182.1745 при использовании в соответствии с надлежащей производственной практикой, а в Китае на нее распространяется GB 1886.232-2016. JECFA провел ее оценку и установил допустимое суточное потребление «не ограничено». В пищевых продуктах можно использовать только марки, произведенные и испытанные по пищевому стандарту; технические марки предназначены для промышленного применения.

От чего зависит цена КМЦ (CMC)

• Чистота: очистка до ≥ 99.5 % требует многократной промывки водным спиртом, поэтому очищенные марки дороже технических.
• СЗ (DS) и вязкость: более высокая степень замещения требует больше реагента, а высоковязким маркам нужна более качественная целлюлоза.
• Испытания и стандарты: контроль числа гелевых частиц у аккумуляторных марок, испытания по пищевым стандартам и сертификаты увеличивают стоимость.
• Физическая форма: гранулированные и быстрорастворимые марки с поверхностной обработкой требуют дополнительных технологических операций.
• Упаковка, объем и Incoterms: мешки по 25 kg или биг-бэги, полные контейнеры и условия FOB, CFR или CIF влияют на итоговую цену поставки.

Чтобы получить коммерческое предложение, сообщите применение, целевую спецификацию и годовой объем; Sentai выставляет цены по каждой марке на условиях FOB, CFR, CIF или EXW.

Как задать требования к КМЦ (CMC) при закупке

1. Опишите применение и процесс: какую функцию должна выполнять КМЦ (CMC), при какой дозировке, в какой воде и при какой температуре.
2. Указывайте вязкость вместе с методом измерения: концентрация (1 % или 2 %), температура, вискозиметр, шпиндель и скорость.
3. Установите пределы СЗ (DS), чистоты и содержания хлорида натрия, соответствующие применению.
4. Добавьте pH, влажность и гранулометрический состав, а если есть риск комкования — и характеристики растворения.
5. Укажите нужный стандарт, например GB 1886.232-2016 для пищевых продуктов или GB/T 5005 для буровых растворов, и запрашивайте сертификат анализа на каждую партию.
6. Прежде чем утвердить поставщика, испытайте образец в собственной рецептуре.