Natriumcarboxymethylcellulose (auch bekannt als: Natriumcarboxymethylcellulose, Carboxymethylcellulose,CMCCarboxymethylcellulose, Natriumcellulose (Natriumsalz der Carboxymethylcellulose) ist die heute weltweit am weitesten verbreitete und in der größten Menge verwendete Celluloseart.
CMC-Na ist ein Cellulosederivat mit einem Glucosepolymerisationsgrad von 100–2000 und einer relativen Molekülmasse von 242,16. Es handelt sich um ein weißes, faseriges oder körniges Pulver. Es ist geruchlos, geschmacklos, hygroskopisch und in organischen Lösungsmitteln unlöslich.
Grundlegende Eigenschaften
1. Molekulare Struktur von Natriumcarboxymethylcellulose (CMC)
Es wurde erstmals 1918 in Deutschland hergestellt und 1921 patentiert. Seitdem ist es weltweit erhältlich. Die kommerzielle Produktion erfolgt in Europa. Damals handelte es sich lediglich um ein Rohprodukt, das als Kolloid und Bindemittel verwendet wurde. Von 1936 bis 1941 wurde intensiv an der industriellen Anwendung von Natriumcarboxymethylcellulose geforscht, und es entstanden mehrere wegweisende Patente. Während des Zweiten Weltkriegs nutzte Deutschland Natriumcarboxymethylcellulose in synthetischen Waschmitteln. Hercules stellte 1943 erstmals in den USA Natriumcarboxymethylcellulose her und produzierte 1946 raffiniertes Natriumcarboxymethylcellulose, das als sicherer Lebensmittelzusatzstoff anerkannt wurde. In den USA begann man in den 1970er Jahren mit der Verwendung, und in den 1990er Jahren fand es weite Verbreitung. Heute ist es die weltweit am häufigsten verwendete und in der größten Menge vorkommende Celluloseart.
Strukturformel: C6H7O2 (OH) 2OCH2COONa Molekularformel: C8H11O7Na
Bei diesem Produkt handelt es sich um das Natriumsalz der Cellulosecarboxymethylether, einer anionischen Faser.
2. Aussehen von Natriumcarboxymethylcellulose (CMC)
Dieses Produkt ist das Natriumsalz von Cellulosecarboxymethylether, ein anionischer Celluloseether, ein weißes bis milchig-weißes, faseriges Pulver oder Granulat mit einer Dichte von 0,5–0,7 g/cm³. Es ist nahezu geruchlos, geschmacklos und hygroskopisch. Es lässt sich leicht in Wasser dispergieren und bildet eine transparente kolloidale Lösung. In organischen Lösungsmitteln wie Ethanol ist es unlöslich [1]. Der pH-Wert einer 1%igen wässrigen Lösung liegt zwischen 6,5 und 8,5. Bei einem pH-Wert über 10 oder unter 5 nimmt die Viskosität des Schleims deutlich ab, die besten Eigenschaften werden bei einem pH-Wert von 7 erzielt. Das Produkt ist hitzebeständig; die Viskosität steigt unter 20 °C rapide an und ändert sich bei 45 °C nur noch langsam. Längeres Erhitzen über 80 °C kann das Kolloid denaturieren und die Viskosität sowie die Eigenschaften deutlich beeinträchtigen. Es ist leicht in Wasser löslich, und die Lösung ist transparent. Es ist in alkalischer Lösung sehr stabil, hydrolysiert aber leicht bei Kontakt mit Säure und fällt bei einem pH-Wert von 2-3 aus. Außerdem reagiert es mit mehrwertigen Metallsalzen.
Der Hauptzweck
Es wird in der Lebensmittelindustrie als Verdickungsmittel, in der pharmazeutischen Industrie als Wirkstoffträger und in der chemischen Industrie als Bindemittel und Antiredepositionsmittel eingesetzt. In der Druck- und Färbeindustrie dient es als Schutzkolloid für Leimungsmittel und Druckpasten. In der petrochemischen Industrie kann es als Bestandteil von Fracking-Flüssigkeiten zur Erdölförderung verwendet werden. [2]
Unvereinbarkeit
Natriumcarboxymethylcellulose ist unverträglich mit stark sauren Lösungen, löslichen Eisensalzen und einigen anderen Metallen wie Aluminium, Quecksilber und Zink. Bei einem pH-Wert unter 2 und in Verbindung mit 95%igem Ethanol fällt das Produkt aus.
Natriumcarboxymethylcellulose kann mit Gelatine und Pektin Koagglomerate bilden und auch Komplexe mit Kollagen bilden, die bestimmte positiv geladene Proteine ausfällen können.
Handwerk
CMC ist üblicherweise ein anionisches Polymer, das durch Reaktion von natürlicher Cellulose mit Natronlauge und Monochloressigsäure hergestellt wird und ein Molekulargewicht von 6400 (±1000) aufweist. Hauptnebenprodukte sind Natriumchlorid und Natriumglykolat. CMC zählt zu den modifizierten Produkten natürlicher Cellulose. Die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) und die Weltgesundheitsorganisation (WHO) bezeichnen es offiziell als „modifizierte Cellulose“.
Die wichtigsten Indikatoren für die Qualität von CMC sind der Substitutionsgrad (DS) und die Reinheit. Generell unterscheiden sich die Eigenschaften von CMC mit dem DS: Je höher der Substitutionsgrad, desto besser die Löslichkeit und desto höher die Transparenz und Stabilität der Lösung. Berichten zufolge ist die Transparenz von CMC bei einem Substitutionsgrad von 0,7–1,2 am besten, und die Viskosität der wässrigen Lösung ist bei einem pH-Wert von 6–9 am höchsten. Um die Qualität zu gewährleisten, müssen neben der Wahl des Veretherungsmittels auch Faktoren berücksichtigt werden, die den Substitutionsgrad und die Reinheit beeinflussen. Dazu gehören das Verhältnis von Alkali- zu Veretherungsmittelmenge, die Veretherungszeit, der Wassergehalt im System, die Temperatur, der pH-Wert, die Lösungskonzentration und der Salzgehalt.
Status Quo
Um dem Rohstoffmangel (raffinierte Baumwolle aus Baumwoll-Linters) zu begegnen, haben in den letzten Jahren einige Forschungseinrichtungen in meinem Land in Zusammenarbeit mit Unternehmen Reisstroh, gemahlene Baumwolle (Baumwollabfälle) und Tofu-Rückstände erfolgreich zur Herstellung von CMC (Chemical Microcarbid) genutzt. Die Produktionskosten wurden dadurch erheblich gesenkt, wodurch eine neue Rohstoffquelle für die industrielle CMC-Produktion erschlossen und eine umfassende Ressourcennutzung ermöglicht wurde. Einerseits werden die Produktionskosten reduziert, andererseits wird die Präzision von CMC verbessert. Die Forschung und Entwicklung von CMC konzentriert sich hauptsächlich auf die Transformation bestehender Produktionstechnologien und die Innovation von Herstellungsverfahren sowie auf neue CMC-Produkte mit einzigartigen Eigenschaften, wie beispielsweise das im Ausland erfolgreich entwickelte und weit verbreitete „Lösungsmittel-Suspensionsverfahren“ [3]. Dadurch wird ein neuer Typ modifizierter CMC mit hoher Stabilität hergestellt. Dank des höheren Substitutionsgrades und der gleichmäßigeren Verteilung der Substituenten kann er in einem breiteren Spektrum industrieller Produktionsbereiche und komplexer Anwendungsumgebungen eingesetzt werden und erfüllt höhere Prozessanforderungen. International wird diese neue Art von modifizierter CMC auch als „polyanionische Cellulose (PAC, Poly anionische Cellulose)“ bezeichnet.
Sicherheit
Hohe Sicherheit, ADI benötigt keine Regulierungen, und es wurden nationale Standards formuliert [4] .
Anwendung
Dieses Produkt besitzt die Funktionen des Bindens, Verdickens, Festigens, Emulgierens, Wasserrückhaltens und Suspendierens.
Anwendung von CMC in Lebensmitteln
Die FAO und die WHO haben die Verwendung von reinem CMC in Lebensmitteln zugelassen. Die Zulassung erfolgte nach sehr strengen biologischen und toxikologischen Untersuchungen und Tests. Die empfohlene tägliche Aufnahmemenge (ADI) beträgt 25 mg/(kg·d), was etwa 1,5 g pro Person und Tag entspricht. Berichten zufolge traten bei einigen Personen selbst bei einer Aufnahme von bis zu 10 kg keine toxischen Reaktionen auf. CMC ist nicht nur ein guter Emulgator, Stabilisator und Verdickungsmittel in Lebensmitteln, sondern zeichnet sich auch durch hervorragende Gefrier- und Schmelzstabilität aus und kann den Geschmack von Produkten verbessern sowie deren Haltbarkeit verlängern. Die in Sojamilch, Eiscreme, Gelee, Getränken und Konserven verwendete Menge liegt bei etwa 1 % bis 1,5 %. CMC bildet außerdem stabile Emulsionen mit Essig, Sojasauce, Pflanzenöl, Fruchtsaft, Soßen, Gemüsesaft usw., wobei die Dosierung 0,2 % bis 0,5 % beträgt. Es zeichnet sich insbesondere durch hervorragende Emulgiereigenschaften für tierische und pflanzliche Öle, Proteine und wässrige Lösungen aus und bildet so eine homogene Emulsion mit stabiler Konsistenz. Aufgrund seiner Sicherheit und Zuverlässigkeit unterliegt seine Dosierung keiner nationalen Lebensmittelhygiene-Grenzwertbegrenzung (ADI). CMC wird kontinuierlich im Lebensmittelbereich weiterentwickelt, und auch die Anwendung von Natriumcarboxymethylcellulose in der Weinherstellung wird erforscht.
Die Verwendung von CMC in der Medizin
In der pharmazeutischen Industrie findet CMC Verwendung als Emulsionsstabilisator für Injektionen, Bindemittel und Filmbildner für Tabletten. Grundlagenforschung und Tierversuche belegen die Sicherheit und Zuverlässigkeit von CMC als Träger für Krebsmedikamente. Mit CMC als Membranmaterial lässt sich die modifizierte Darreichungsform des traditionellen chinesischen Arzneimittels Yangyin Shengji-Pulver, die Yangyin Shengji-Membran, zur Behandlung von Wunden nach Dermabrasion und traumatischen Wunden einsetzen. Tiermodellstudien zeigen, dass der Film Wundinfektionen vorbeugt und sich nicht signifikant von Gaze-Verbänden unterscheidet. Hinsichtlich der Kontrolle der Wundexsudation und der Beschleunigung der Wundheilung ist der Film Gaze-Verbänden deutlich überlegen und reduziert postoperative Ödeme und Wundreizungen. Die optimale Zusammensetzung des Films besteht aus Polyvinylalkohol, Natriumcarboxymethylcellulose und Polycarboxyethylen im Verhältnis 3:6:1, wodurch sowohl die Haftung als auch die Freisetzungsrate erhöht werden. Die Haftung des Präparats, seine Verweildauer in der Mundhöhle und seine Wirksamkeit sind signifikant verbessert. Bupivacain ist ein starkes Lokalanästhetikum, kann aber bei Überdosierung schwere kardiovaskuläre Nebenwirkungen hervorrufen. Daher wird der Forschung zur Prävention und Behandlung toxischer Reaktionen trotz der weitverbreiteten klinischen Anwendung von Bupivacain besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Pharmakologische Studien haben gezeigt, dass CIVIC als Depotpräparat mit Bupivacainlösung die Nebenwirkungen des Medikaments signifikant reduzieren kann. Bei der PRK-Chirurgie kann die Kombination von niedrig konzentriertem Tetracain und nichtsteroidalen Antirheumatika mit CMC postoperative Schmerzen deutlich lindern. Die Prävention postoperativer peritonealer Adhäsionen und die Reduktion von Darmverschluss gehören zu den wichtigsten Herausforderungen in der klinischen Chirurgie. Studien haben gezeigt, dass CMC Natriumhyaluronat bei der Reduktion postoperativer peritonealer Adhäsionen signifikant überlegen ist und als effektive Methode zur Prävention dieser Adhäsionen eingesetzt werden kann. CMC wird bei der intraarteriellen Katheterinfusion von Krebsmedikamenten zur Behandlung von Leberkrebs eingesetzt. Dadurch kann die Verweildauer der Medikamente im Tumor signifikant verlängert, die Antitumorwirkung verstärkt und der Therapieerfolg verbessert werden. Auch in der Tiermedizin findet CMC vielfältige Anwendung. So wurde berichtet [5], dass die intraperitoneale Instillation einer 1%igen CMC-Lösung bei Mutterschafen die Entstehung von Geburtskomplikationen und Verwachsungen im Bauchraum nach Operationen am Fortpflanzungstrakt signifikant reduziert.
CMC in anderen industriellen Anwendungen
In Waschmitteln kann CMC als Mittel gegen erneute Schmutzablagerung eingesetzt werden, insbesondere bei hydrophoben synthetischen Fasergeweben, was deutlich besser ist als bei Carboxymethylfasern.
CMC kann zum Schutz von Ölquellen als Schlammstabilisator und Wasserrückhaltemittel bei der Ölbohrung eingesetzt werden. Die Dosierung beträgt 2,3 t für flache und 5,6 t für tiefe Ölquellen.
In der Textilindustrie wird es als Schlichtemittel, Verdickungsmittel für Druck- und Färbepasten, für den Textildruck und zur Versteifung von Textilien eingesetzt. Als Schlichtemittel verbessert es die Löslichkeit und Viskosität und erleichtert das Entschlichten. Als Versteifungsmittel liegt die Dosierung über 95 %. Als Schlichtemittel werden Festigkeit und Flexibilität des Schlichtefilms deutlich verbessert. Eine aus Carboxymethylcellulose (CMC) und regeneriertem Seidenfibroin bestehende Kompositmembran dient als Matrix zur Immobilisierung von Glucoseoxidase. Durch die Immobilisierung von Glucoseoxidase und Ferrocencarboxylat weist der hergestellte Glucose-Biosensor eine höhere Empfindlichkeit und Stabilität auf. Studien haben gezeigt, dass die chromatographische Leistung der hergestellten Dünnschichtplatte optimal ist, wenn das Kieselgelhomogenat mit einer CMC-Lösung mit einer Konzentration von ca. 1 % (w/v) hergestellt wird. Gleichzeitig weist die unter optimierten Bedingungen beschichtete Dünnschichtplatte eine angemessene Schichtstärke auf, eignet sich für verschiedene Probenahmetechniken und ist einfach zu handhaben. CMC haftet an den meisten Fasern und verbessert deren Bindung. Die Stabilität seiner Viskosität gewährleistet eine gleichmäßige Schlichte und steigert somit die Effizienz des Webprozesses. Es eignet sich auch als Ausrüstungsmittel für Textilien, insbesondere für eine dauerhafte Knitterschutzausrüstung, die den Stoffen beständige Eigenschaften verleiht.
CMC kann als Antisedimentationsmittel, Emulgator, Dispergiermittel, Verlaufsmittel und Klebstoff für Beschichtungen eingesetzt werden. Es sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Feststoffgehalts der Beschichtung im Lösungsmittel, sodass diese sich langfristig nicht ablöst. Es findet auch breite Anwendung in Farben.
Wird CMC als Flockungsmittel eingesetzt, ist es bei der Entfernung von Calciumionen wirksamer als Natriumgluconat. Als Kationenaustauscher kann seine Austauschkapazität bis zu 1,6 ml/g erreichen.
CMC wird in der Papierindustrie als Leimungsmittel eingesetzt und kann die Trocken- und Nassfestigkeit des Papiers sowie die Ölbeständigkeit, die Tintenaufnahme und die Wasserbeständigkeit deutlich verbessern.
CMC wird als Hydrolat in Kosmetika und als Verdickungsmittel in Zahnpasta verwendet, und zwar in einer Dosierung von etwa 5%.
CMC kann als Flockungsmittel, Chelatbildner, Emulgator, Verdickungsmittel, Wasserrückhaltemittel, Schlichtemittel, Filmbildner usw. eingesetzt werden und findet breite Anwendung in der Elektronik-, Pestizid-, Leder-, Kunststoff-, Druck-, Keramik-, Zahnpasta-, Haushaltschemikalien- und anderen Bereichen. Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften und seines breiten Anwendungsspektrums erschließt es ständig neue Anwendungsgebiete, und die Marktperspektiven sind äußerst vielversprechend.
Vorsichtsmaßnahmen
(1) Die Verträglichkeit dieses Produkts mit starken Säuren, starken Laugen und Schwermetallionen (wie Aluminium, Zink, Quecksilber, Silber, Eisen usw.) ist kontraindiziert.
(2) Die zulässige Aufnahmemenge dieses Produkts beträgt 0-25 mg/kg·d.
Anweisungen
CMC wird direkt mit Wasser zu einem pastösen Klebstoff vermischt. Zur Herstellung des CMC-Klebstoffs wird zunächst eine bestimmte Menge sauberes Wasser in einen Mischbehälter mit Rührwerk gegeben. Sobald das Rührwerk eingeschaltet ist, wird das CMC langsam und gleichmäßig unter ständigem Rühren eingestreut, bis es sich vollständig mit dem Wasser vermischt und aufgelöst hat. Das gleichmäßige Einstreuen und ständige Rühren verhindert die Klumpenbildung und reduziert die Auflösungsmenge. Zudem erhöht es die Auflösungsgeschwindigkeit. Die Rührzeit ist nicht gleich der Zeit, die zum vollständigen Auflösen des CMC benötigt wird. Im Allgemeinen ist die Rührzeit deutlich kürzer als die Zeit, die zum vollständigen Auflösen des CMC benötigt wird. Die benötigte Zeit hängt von den jeweiligen Gegebenheiten ab.
Grundlage für die Bestimmung der Rührzeit ist: wenn dieCMCWenn die Substanz gleichmäßig im Wasser verteilt ist und keine größeren Klumpen mehr vorhanden sind, kann das Rühren eingestellt werden, sodass sich die CMC und das Wasser im Ruhezustand durchdringen und miteinander verschmelzen können.
Die Grundlage für die Bestimmung der Zeit, die CMC zum vollständigen Auflösen benötigt, ist folgende:
(1) CMC und Wasser sind vollständig gebunden, und es gibt keine Fest-Flüssig-Trennung zwischen den beiden;
(2) Die Mischung ist homogen und hat eine ebene, glatte Oberfläche.
(3) Die Farbe der angemischten Paste ist nahezu farblos und transparent, und sie enthält keine körnigen Bestandteile. Vom Einfüllen des CMC in den Mischbehälter und dem Vermischen mit Wasser bis zur vollständigen Auflösung des CMC beträgt die benötigte Zeit 10 bis 20 Stunden.
Veröffentlichungsdatum: 26. April 2024