소듐 카르복시메틸 셀룰로스(다른 이름: 소듐 카르복시메틸 셀룰로스, 카르복시메틸 셀룰로스,CMC카르복시메틸셀룰로오스 나트륨(Carboxymethyl Cellulose Sodium, Carboxymethyl Cellulose의 나트륨염)은 오늘날 세계에서 가장 널리 사용되고 가장 많이 사용되는 셀룰로오스 유형입니다.
CMC-Na는 약칭으로 셀룰로오스 유도체이며, 글루코스 중합도가 100~2000이고 상대 분자량은 242.16입니다. 흰색의 섬유질 또는 과립형 분말이며, 무취, 무미, 흡습성이 있고 유기 용매에 녹지 않습니다.
기본 속성
1. 카르복시메틸셀룰로오스 나트륨(CMC)의 분자 구조
카르복시메틸셀룰로오스산나트륨은 1918년 독일에서 처음 생산되어 1921년 특허를 취득한 후 세계에 소개되었습니다. 이후 유럽에서 상업 생산이 시작되었으며, 당시에는 원료 상태로 콜로이드 및 결합제로 사용되었습니다. 1936년부터 1941년까지 카르복시메틸셀룰로오스산나트륨의 산업적 응용 연구가 활발히 진행되었고, 여러 획기적인 특허가 출원되었습니다. 제2차 세계 대전 중 독일은 카르복시메틸셀룰로오스산나트륨을 합성 세제에 사용했습니다. 미국에서는 1943년 헤라클레스(Hercules)사가 최초로 카르복시메틸셀룰로오스산나트륨을 생산했고, 1946년에는 정제된 카르복시메틸셀룰로오스산나트륨을 개발하여 안전한 식품 첨가물로 인정받았습니다. 우리나라에서는 1970년대에 도입하기 시작하여 1990년대에 널리 사용되기 시작했으며, 현재 세계에서 가장 널리 사용되고 가장 많은 양이 생산되는 셀룰로오스입니다.
구조식: C6H7O2(OH)2OCH2COONa 분자식: C8H11O7Na
이 제품은 음이온성 섬유인 셀룰로오스 카르복시메틸 에테르의 나트륨염입니다.
2. 카르복시메틸셀룰로오스나트륨(CMC)의 외관
본 제품은 음이온성 셀룰로오스 에테르인 셀룰로오스 카르복시메틸 에테르의 나트륨염으로, 흰색 또는 유백색의 섬유질 분말 또는 과립이며, 밀도는 0.5-0.7 g/cm³이고, 거의 무취, 무미이며 흡습성이 있다. 물에 쉽게 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 형성하며, 에탄올과 같은 유기 용매에는 불용성이다[1]. 1% 수용액의 pH는 6.5-8.5이며, pH가 10보다 크거나 5보다 작으면 점액질의 점도가 크게 감소하고, pH=7일 때 성능이 가장 좋다. 열에 안정하며, 20°C 이하에서는 점도가 급격히 상승하고 45°C에서는 천천히 변화한다. 80°C 이상에서 장시간 가열하면 콜로이드가 변성되어 점도와 성능이 크게 저하된다. 물에 쉽게 용해되며, 용액은 투명하다. 알칼리 용액에서는 매우 안정적이지만, 산성 환경에 닿으면 쉽게 가수분해되고, pH 값이 2~3일 때 침전되며, 다가 금속염과도 반응합니다.
주된 목적
식품 산업에서는 증점제로, 제약 산업에서는 약물 운반체로, 생활 화학 산업에서는 결합제 및 재침착 방지제로 사용됩니다. 인쇄 및 염색 산업에서는 사이징제 및 인쇄 페이스트용 보호 콜로이드로 사용됩니다. 석유화학 산업에서는 석유 회수 파쇄 유체의 구성 성분으로 사용될 수 있습니다. [2]
호환성 문제
카르복시메틸셀룰로오스나트륨은 강산 용액, 용해성 철염, 그리고 알루미늄, 수은, 아연과 같은 일부 금속과 반응성이 낮습니다. pH가 2 미만이거나 95% 에탄올과 혼합할 경우 침전이 발생합니다.
카르복시메틸셀룰로오스나트륨은 젤라틴 및 펙틴과 공응집체를 형성할 수 있으며, 콜라겐과 복합체를 형성하여 특정 양전하를 띤 단백질을 침전시킬 수도 있습니다.
선박
CMC는 일반적으로 천연 셀룰로오스를 가성 알칼리 및 모노클로로아세트산과 반응시켜 제조하는 음이온성 고분자 화합물로, 분자량은 6400(±1000)입니다. 주요 부산물은 염화나트륨과 글리콜산나트륨입니다. CMC는 천연 셀룰로오스의 변형체에 속하며, 유엔 식량농업기구(FAO)와 세계보건기구(WHO)는 이를 공식적으로 "변성 셀룰로오스"라고 명명했습니다.
CMC의 품질을 측정하는 주요 지표는 치환도(DS)와 순도입니다. 일반적으로 CMC는 DS에 따라 특성이 달라지는데, 치환도가 높을수록 용해도가 강해지고 용액의 투명도와 안정성이 향상됩니다. 보고에 따르면, CMC는 치환도가 0.7~1.2일 때 투명도가 가장 좋고, 수용액의 점도는 pH가 6~9일 때 가장 높습니다. CMC의 품질을 확보하기 위해서는 에테르화제의 선택 외에도 알칼리와 에테르화제의 양, 에테르화 시간, 용액 내 수분 함량, 온도, pH, 용액 농도, 염 농도 등 치환도와 순도에 영향을 미치는 여러 요인을 고려해야 합니다.
현상 유지
원료(면섬유로 만든 정제면) 부족 문제를 해결하기 위해 최근 우리나라의 일부 연구 기관들은 기업들과 협력하여 벼짚, 분쇄면(폐면), 두부찌꺼기 등을 종합적으로 활용하여 CMC를 성공적으로 생산해 왔습니다. 생산 비용이 크게 절감되어 CMC 산업 생산을 위한 새로운 원료 공급원이 확보되었고, 자원의 종합적 활용이 실현되었습니다. 생산 비용 절감과 더불어 CMC의 정밀도 향상이라는 두 가지 목표를 동시에 달성할 수 있었습니다. CMC 연구 개발은 주로 기존 생산 기술의 전환과 제조 공정의 혁신, 그리고 해외에서 성공적으로 개발되어 널리 사용되고 있는 "용매 슬러리법"[3]과 같은 독특한 특성을 지닌 새로운 CMC 제품 개발에 집중되어 있습니다. 이러한 방법을 통해 높은 안정성을 지닌 새로운 유형의 변성 CMC가 생산됩니다. 높은 치환도와 균일한 치환체 분포 덕분에 더 넓은 산업 분야와 복잡한 사용 환경에서 더욱 까다로운 공정 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 국제적으로, 이러한 새로운 유형의 변형된 CMC는 "폴리아니온성 셀룰로오스(PAC, Poly anionic cellulose)"라고도 불립니다.
안전
높은 보안성으로 인해 ADI는 규제가 필요하지 않으며 국가 표준이 제정되었습니다[4].
애플리케이션
이 제품은 결합, 증점, 강화, 유화, 수분 보유 및 현탁 기능을 가지고 있습니다.
식품 분야에서 CMC의 응용
FAO와 WHO는 순수 CMC의 식품 사용을 승인했습니다. 이는 매우 엄격한 생물학적 및 독성학적 연구와 시험을 거친 후 승인된 것입니다. 국제 표준의 일일 허용 섭취량(ADI)은 25mg/(kg·d)로, 1인당 하루 약 1.5g에 해당합니다. 일부 사람들은 10kg을 섭취해도 독성 반응을 보이지 않았다고 보고되었습니다. CMC는 식품에서 우수한 유화 안정제 및 증점제일 뿐만 아니라, 냉동 및 해동 안정성이 뛰어나 제품의 풍미를 개선하고 저장 기간을 연장할 수 있습니다. 두유, 아이스크림, 젤리, 음료 및 통조림 제품에 사용되는 양은 약 1%~1.5%입니다. 또한 CMC는 식초, 간장, 식물성 기름, 과일 주스, 소스, 채소 주스 등과 안정적인 유화 분산액을 형성할 수 있으며, 사용량은 0.2%~0.5%입니다. 특히, 동물성 및 식물성 기름, 단백질, 수용액에 대해 탁월한 유화 성능을 보여 안정적인 성능의 균일한 유화액을 형성할 수 있습니다. 안전성과 신뢰성이 뛰어나 국가 식품위생기준의 일일섭취허가일(ADI)에 따른 사용량 제한이 없습니다. CMC는 식품 분야에서 지속적으로 개발되어 왔으며, 와인 생산에 소듐 카르복시메틸셀룰로오스를 적용하는 연구도 진행되고 있습니다.
의학에서 CMC의 사용
제약 산업에서 CMC는 주사제용 유화 안정제, 정제용 결합제 및 필름 형성제로 사용될 수 있습니다. 일부 연구에서는 기초 및 동물 실험을 통해 CMC가 안전하고 신뢰할 수 있는 항암제 운반체임을 입증했습니다. CMC를 막 소재로 사용하여 한약재인 양음생기 분말의 변형 제형인 양음생기 막을 제조하여 박피 수술 상처 및 외상성 상처에 적용할 수 있습니다. 동물 모델 연구 결과, 이 막은 상처 감염을 예방하고 거즈 드레싱과 유의미한 차이가 없는 것으로 나타났습니다. 상처 조직 삼출액 조절 및 빠른 상처 치유 측면에서 이 막은 거즈 드레싱보다 훨씬 우수하며, 수술 후 부종 및 상처 자극을 감소시키는 효과도 있습니다. 폴리비닐알코올:카르복시메틸셀룰로오스나트륨:폴리카르복시에틸렌을 3:6:1의 비율로 제조한 막이 가장 좋은 배합이며, 접착력과 약물 방출 속도가 모두 향상됩니다. CIVIC은 제형의 점착성, 구강 내 체류 시간, 그리고 제형 내 약물의 효능을 모두 크게 향상시킵니다. 부피바카인은 강력한 국소 마취제이지만, 중독 시 심각한 심혈관계 부작용을 일으킬 수 있습니다. 따라서 부피바카인이 임상에서 널리 사용되고 있는 만큼, 그 독성 반응의 예방 및 치료에 대한 연구는 항상 더욱 중요하게 여겨져 왔습니다. 약리학적 연구에 따르면, 부피바카인 용액으로 제형화된 서방형 제제인 CIVIC은 약물의 부작용을 현저히 감소시킬 수 있습니다. PRK 수술에서 저농도 테트라카인과 비스테로이드성 항염증제를 CMC와 병용하면 수술 후 통증을 크게 완화할 수 있습니다. 수술 후 복막 유착 예방 및 장폐색 감소는 임상 수술에서 가장 중요한 문제 중 하나입니다. 연구 결과, CMC는 수술 후 복막 유착 정도를 줄이는 데 있어 히알루론산나트륨보다 훨씬 효과적이며, 복막 유착 발생을 예방하는 효과적인 방법으로 사용될 수 있습니다. CMC는 간암 치료를 위한 항암제의 카테터 간동맥 주입에 사용되며, 종양 내 항암제의 체류 시간을 상당히 연장시켜 항종양력을 강화하고 치료 효과를 향상시킬 수 있습니다. 동물 의학에서도 CMC는 폭넓게 사용됩니다. 암양에게 1% CMC 용액을 복강 내 주입하면 가축의 생식기 수술 후 난산 및 복부 유착을 예방하는 데 상당한 효과가 있다는 보고가 있습니다[5].
CMC의 다른 산업 응용 분야
세제에서 CMC는 특히 소수성 합성 섬유 직물에 대한 오염 재부착 방지제로 사용될 수 있으며, 이는 카르복시메틸 섬유보다 훨씬 우수합니다.
CMC는 석유 시추 과정에서 진흙 안정제 및 수분 보유제로 사용되어 유정을 보호할 수 있습니다. 유정당 투입량은 얕은 유정의 경우 2.3톤, 깊은 유정의 경우 5.6톤입니다.
섬유 산업에서 사이징제, 인쇄 및 염색 페이스트용 증점제, 섬유 인쇄 및 경화 마감제로 사용됩니다. 사이징제로 사용될 경우 용해도와 점도를 향상시키고 탈사이징이 용이합니다. 경화제로 사용될 경우 투입량이 95% 이상입니다. 사이징제로 사용될 경우 사이징 필름의 강도와 유연성이 크게 향상됩니다. 재생 실크 피브로인과 카르복시메틸 셀룰로오스로 구성된 복합막을 기질로 사용하여 포도당 산화효소를 고정화하고, 포도당 산화효소와 페로센 카르복실레이트를 고정화하여 제작한 포도당 바이오센서는 감도와 안정성이 높습니다. 연구 결과, 약 1%(w/v) 농도의 CMC 용액으로 실리카겔 균질액을 제조했을 때 제조된 박막 크로마토그래피 성능이 가장 우수한 것으로 나타났습니다. 동시에 최적화된 조건에서 코팅된 박막은 적절한 층 강도를 가지며 다양한 샘플링 기법에 적합하고 조작이 용이합니다. CMC는 대부분의 섬유에 접착력이 있어 섬유 간 결합력을 향상시킬 수 있습니다. 또한 안정적인 점도로 인해 균일한 사이징이 가능하여 직조 효율을 높여줍니다. 뿐만 아니라 섬유 마감제, 특히 영구적인 주름 방지 마감제로도 사용되어 직물에 오래 지속되는 변화를 가져다줍니다.
CMC는 코팅제의 침전 방지제, 유화제, 분산제, 평활제 및 접착제로 사용될 수 있습니다. 코팅제의 고형 성분이 용매에 고르게 분포되도록 하여 코팅이 장기간 박리되지 않도록 합니다. 또한 페인트에도 널리 사용됩니다.
CMC를 응집제로 사용할 경우, 칼슘 이온 제거에 있어 글루콘산나트륨보다 효과적입니다. 양이온 교환제로 사용할 경우, 교환 용량은 1.6 ml/g에 달할 수 있습니다.
CMC는 제지 산업에서 종이 사이징제로 사용되며, 종이의 건조 강도와 습윤 강도를 크게 향상시킬 뿐만 아니라 내유성, 잉크 흡수성 및 내수성을 개선할 수 있습니다.
CMC는 화장품에서는 하이드로졸 형태로, 치약에서는 증점제로 사용되며, 그 함량은 약 5%입니다.
CMC는 응집제, 킬레이트제, 유화제, 증점제, 수분 보유제, 사이징제, 필름 형성 물질 등으로 사용될 수 있으며, 전자, 농약, 가죽, 플라스틱, 인쇄, 세라믹, 치약, 생활용품 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 뛰어난 성능과 폭넓은 활용성 덕분에 새로운 응용 분야가 끊임없이 개척되고 있으며, 시장 전망 또한 매우 밝습니다.
지침
(1) 본 제품은 강산, 강알칼리 및 중금속 이온(알루미늄, 아연, 수은, 은, 철 등)과 호환되지 않습니다.
(2) 이 제품의 허용 섭취량은 0-25mg/kg·d입니다.
지침
CMC를 물에 직접 혼합하여 페이스트 형태의 접착제를 만들어 사용합니다. CMC 접착제를 제조할 때는 먼저 교반기가 있는 배합조에 일정량의 깨끗한 물을 넣고, 교반기를 작동시킨 후 CMC를 배합조에 천천히 고르게 뿌리면서 계속 저어줍니다. 이렇게 하면 CMC가 물과 완전히 혼합되어 완전히 용해됩니다. CMC를 용해할 때 고르게 뿌리고 계속 저어주는 이유는 CMC가 물과 접촉할 때 덩어리가 지는 현상을 방지하고 용해되는 CMC의 양을 줄이며, CMC의 용해 속도를 높이기 위함입니다. 교반 시간과 CMC가 완전히 용해되는 시간은 서로 다른 개념입니다. 일반적으로 교반 시간은 CMC가 완전히 용해되는 시간보다 훨씬 짧습니다. 두 시간에 필요한 시간은 구체적인 상황에 따라 달라집니다.
교반 시간을 결정하는 기준은 다음과 같습니다.CMC물에 균일하게 분산되어 있고 눈에 띄는 큰 덩어리가 없으므로 교반을 멈추고 CMC와 물이 정지 상태에서 서로 침투하고 융합되도록 할 수 있습니다.
CMC가 완전히 용해되는 데 필요한 시간을 결정하는 기준은 다음과 같습니다.
(1) CMC와 물은 완전히 결합되어 있으며 둘 사이에 고체-액체 분리가 없습니다.
(2) 혼합된 반죽은 균일한 상태이며 표면은 평평하고 매끄럽다.
(3) 혼합된 반죽의 색상은 무색 투명에 가깝고 반죽에는 과립이 없습니다. CMC를 배치 탱크에 넣고 물과 혼합한 시점부터 CMC가 완전히 용해될 때까지 필요한 시간은 10~20시간입니다.
게시 시간: 2024년 4월 26일