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羧甲基纖維素鹽類的合成和應用

羧甲基纖維素是天然纖維素經過醚化改性獲得的一種纖維素醚類,一般指其鈉鹽。近年來,羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)在食品乳品、石油鑽井、礦選造紙、陶瓷建築、印染上漿、化工分離等領域得到廣泛應用,提供粘結、增稠、降濾失水、懸浮和改善流變性等作用,顯示了廣闊的應用前景。但羧甲基纖維素鈉鹽的應用也顯現出一定的局限性,因此開發其它羧甲基纖維素鹽類替代CMC-Na,具有重要的理論和應用價值。

  目前常見的羧甲基纖維素鹽類除鈉鹽外還包括鋰鹽、鉀鹽、鈣鹽和銨鹽,本文簡單介紹幾種纖維素鹽類的作用和合成方法。

  1、羧甲基纖維素鋰(CMC-Li):

  我國目前所生產的鋰離子電池廢棄後含有嚴重破壞環境的重金屬物質,為了解決環境汙染問題,需要尋找一種新型電解質來取代重金屬電解液或聚合物電解質以減少汙染。

  CMC-Li是CMC-Na酸化後用氫氧化鋰中和的產物,製備方便,具有較大體積的陰離子,若將其應用到鋰離子電池的電解質中,與其它陰離子體積較小的鋰鹽(如LiFePO4,Li2FePO4F等)相比,CMC-Li具有可以減少正負離子的締結等優勢;同時CMC-Li是一種離子型纖維素衍生物,除了具有鋰電池電解質的普遍性能外,它還具有能天然降解、可再生及優良的導電性能等優點,並且來源廣泛,十分適合大規模應用。

  2、羧甲基纖維素鉀(CMC-K):

  CMC-K是精製棉與氫氧化鉀、氯乙酸在堿性條件下發生堿化、醚化反應而製得的水溶性的纖維素衍生物。食品工業中CMC-K用於替代CMC-Na作為常用的食品添加劑。研究發現鈉離子的過量攝入會導致糖尿病、高血壓、心血管病等疾病,所以在日常生活中要降低鈉的食用量,用部分鉀鹽來代替鈉鹽。在石油工業中,CMC-K 在抑製岩土水化膨脹的效果要明顯好於CMC-Na,可控製鑽井液介質進入地層,抑製泥頁岩水化膨脹與分散。

  羧甲基纖維素鉀還可通過先將CMC-Na進行酸化,讓H+ 替換CMC-Na 中的Na+,然後再用酸化後的物料與KOH 液體或K2CO3粉體反應製得。

  3、羧甲基纖維素鈣(CMC-Ca)

  CMC-Ca水中不溶,吸水膨脹,是世界上唯一一種含鈣的崩解劑。CMC-Ca主要應用於片劑,5%~15%時作為粘合劑 ,1%~15%作為崩解劑,最高使用濃度為15wt%。由於鈣的存在會使其與一些含磷酸鹽和硫酸鹽的藥物發生反應,因此有很好的可壓性與崩解性。

  作為藥用輔料CMC-Ca的主要製備方法有兩種:一種稱作鹽交換法,即用氯乙酸(或其鈉鹽)處理堿纖維素,再用CaCl2置換產物中的鈉;第二種為中和法,即用酸酸化CMC-Na得到酸型羧甲基纖維素,再與氫氧化鈣或碳酸鈣反應生成CMC-Ca。

  4、羧甲基纖維素銨(CMC-NH4)

  羧甲基纖維素銨是一種常見的粘結劑,與其它羧甲基纖維素鹽類相比,它具有粘結性好,焙燒後殘留小的特點,適用於某些對金屬離子有要求或敏感的工況條件。例如,在目前針對氮氧化物的選擇性催化還原脫硝(SCR)工藝製備中,需要通過各種成型助劑將高性能的催化劑構築成均一的、具有一定機械強度和孔結構的塑形膏體,因此對粘結劑有較高的要求。鉀、鈉等金屬離子的存在會造成催化劑中毒或影響催化效率,因此不能選用常規的羧甲基纖維素鹽類。由於羧甲基纖維素銨焙燒後無金屬離子的殘留,因此能夠很好的滿足SCR的製備要求。此外,羧甲基纖維素銨也適用於熒光粉的噴塗要求,可用於熒光粉的懸浮穩定劑,幹燥後避免了堿金屬離子對熒光粉發光中心離子和敏化離子的影響。

  與其他羧甲基纖維素鹽類相似,羧甲基纖維素銨也主要采用將羧甲基纖維素鈉酸化後,再加入相應的陽離子組分(如氨水乙醇溶液)反應的方式獲得。

  由於環境汙染和能源危機日趨嚴重化,天然可再生資源的開發已經引起世界各國的高度重視。隨著應用領域的不斷開發,纖維素及其衍生物是最具有規模前景的資源之一,具有其他材料無法比擬的研究價值。此類可再生的天然高分子化合物資源,在未來數十年仍將是很多領域研究的熱點。

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