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1、 產品概述
產品名稱：羧甲基纖維素鈉（Sodium Carboxymethyl Cellulose），習慣上簡稱為羧甲基纖維素，英文簡寫為CMC。CMC是一種有代表性的纖維素醚，工業上多用其鈉鹽，屬於高分子陰離子型電解質，此外，還有它的銨鹽、鋁鹽等。有時也生產CMC酸。取代度，即對每一個無水葡萄糖單位的置換體的與之反應的羥基的平均數，等于1時，它的分子式為[C6H7O2（OH）2OCH2COONa]n，
結構式一般寫成：

2、產品主要性質
2.1外觀
純粹的羧甲基纖維素是無臭、無味、無毒的白色或微黃色纖維狀粉末。
2.2溶解性
羧甲基纖維素易吸收水份，具有良好的水溶性，溶於冷水或熱水成為膠體溶液。不溶於甲醇、乙醇、丙銅、氯仿及苯等有機溶劑。取代度是影響其水溶性的重要因素，粘度對水溶性的影響也很大。通常粘度在25mPa.s-50000mPa.s之間，取代度在0.3左右，呈堿溶性。取代度大于0.4即為水溶性。隨著取代度的上升，溶液的透明度也相應改善。CMC的溶解，和其他高分子電介質相同，在溶解時，首先產生膨脹現象，然后逐漸溶解。所以在配制溶液時，應使各個粒子均勻潤濕，才能迅速溶解。否則，它在水溶液中膨脹后，粒子間相互粘附形成很強的皮膜或膠團，使粒子不易分散，造成溶解困難。
2.3吸濕性
CMC的平衡水份，隨空氣濕度的升高而增加，隨溫度的上升而減小。在室溫和平均濕度80-85%時，平衡水份在26%以上，而產品中水份低于10%，比平衡水份低。從它的形態來看，即使含水在15%左右，外觀也看不出差別。但當含水率達到20%以上時，就能看出部門粒子間的相互粘附，粘度越高越明顯。
像CMC那樣有極性的高分子化合物支配著吸濕度的除了相對濕度以外，還有極性基的數目。取代度越高，即是極性基數目多，其吸濕度就大。
2.4溶液粘度
2.4.1羧甲基纖維素水溶液的粘度是纖維素聚合度的具體表現，取決於纖維素原料的平均聚合度以及纖維素在堿化、醚化反應過程中聚合度的降解程度，反應均一性。羧甲基纖維素水溶液的粘度隨著濃度提高而呈近似直線的上升。溶液的粘度除與纖維素的聚合度及其分布有關外，還隨著溶液濃度、PH值、溫度、流速梯度、取代度等不同而改變。
2.4.2影響粘度的因素
A、溶液濃度的影響：無論高、中、低粘度的CMC，其粘度隨溶液濃度的增加而上升，溶液濃度與粘度的對數值近似直線關系。
B、PH值的影響：1%CMC溶液的粘度在PH值6.5-9.0時最大且最穩定。一般說PH值在9.0-11.0的范圍內粘度變化不太大。但當PH＜6時，粘度迅速下降，并開始形成CMC酸，后者于PH≌2.5時即達完全；若PH＞9時，粘度亦會下降，起初比較緩慢，但當PH＞11.5時，開始急劇下降。這是因為未取代的羥基與堿分子結合，促進纖維素分散的結果。
C、溫度的影響：CMC溶液的粘度隨溫度的升高而下降。冷卻時，粘度即行回升，但當溫度升至一定程度時，將發生永久性的粘度降低。但須指出，粘度降低和CMC取代度有密切關系，取代度越高，粘度受溫度影響越小。
D、鹽類的影響：各種無機鹽等離子的存在會降低CMC溶液的粘度，鹽類對粘度的影響幾乎取決于陽離子的價數。一般是遇一價陽離子鹽時呈水溶性，遇三價陽離子鹽時呈不溶性鹽，遇二價陽離子鹽時，則介于一價和三價之間。
E、流速梯度的影響：因CMC溶液系非牛頓型流體，而是屬于假塑性流體。其流動性質不能用簡單的牛頓公式描述，但溶液的表觀粘度仍是測定時流速梯度的函數。
對于牛頓型流體，其流速梯度和切向力間是成正比的關系。而對于假塑性流體來說，則流速梯度隨切向力的增加比直線為快，就是粘度隨切向力的增加而減少。
對于CMC溶液來說，其粘度隨流速梯度改變的情況可以這樣解釋：因CMC的分散相是親水性的，吸水后先膨脹，然后就以大分子狀態而溶解。因大分子的體積很大，故粘度很大。如將切向力增加，則大分子即起定向作用，逐漸將長軸轉成流動方向，且切向力越大，轉向越加徹底，因此流動時的粘度阻力也越變越小了。同時它們周圍的溶劑化層也可因切向力而變形，這也是減少阻力的原因。在CMC溶液濃度較低時，流速梯度對粘度的影響很小，當溶液濃度增加時，流速梯度對粘度的影響也隨之增加。
F、CMC溶液的粘度隨聚合度的增加而上升，但粘度提高率因取代度的不同而異。，
2.5羧甲基纖維素遇PbSO4、FeCl3、FeSO4、CuSO4、K2Cr2O7、AgNO3、SnCl2等重金屬鹽也會發生沉淀。

　　1、聚陰離子纖維素的結構分析

　　利用H-NMR核磁共振技術分析PAC與CMC結構的差異，結見圖1。

 

圖1 CMC與PAC的H-NMR核磁譜圖
 

 

　　化學位移3.0－4.0處是葡萄糖單元上的質子峰，4.0－4.5為-CH2COO-的特征峰，4.5－5.5處則是葡萄糖單元上還原性末端C(1)上的質子共振峰。通過對比DS值與C(1)上質子位移信號強度變化，發現C(2)羥基被羧甲基化后導致C(1)上質子位移下降。PAC分子鏈葡萄糖單元上-CH2COO-在三個位置上的分布比CMC更均勻。其原因，一方面是PAC生產過程固液傳質充分，堿化完全，在強烈攻擊下原纖維素構象發生改變，大分子內、間氫鍵得到均勻削弱，甚至打開，見圖2，在C(2)、C(3)、C(6)位上同時降低堿化、醚化反應位壘，均化了反應能力，有效地提高了反應速度和能力。另一方面，由于工藝的調整，保證了堿化、醚化初期反應熱及時擴散，避免出現局部堿化盲區，降低了副反應程度，極大提高了產品在宏觀上（反應釜不同的區域）和微觀上（纖維素大分子鏈不同的環基上）-CH2COONa分布的均勻性。

 

圖2 分子構象

 

　　與CMC相比，PAC大分子鏈上-CH2COO-基團分布更均勻，在酸性環境中整條大分子鏈不同葡萄糖單元上傾向卷曲的能力及程度基本相同，在不同的大分子鏈上也相近，結果整體粘度降低程度小，表現為抗酸性好。從在牛奶中的應用試驗結果可知，PAC比CMC表現出更優越的應用性能。

　　2、分子量

　　PAC采用特殊工藝及配方進行生產，相同取代度和粘度下，PAC的分子量比CMC大，約大一個數量級。

　　3、取代基的分布均勻性

　　大分子鏈可視為由帶取代基的葡萄糖環（用A表示）和不帶取代基的葡萄糖環（用B表示）組成的嵌段共聚物。帶取代基的葡萄糖環上-CH2COONa在介質中表現陰離子性。PAC結構中特征基團位置分布均勻性見圖3。

圖3 特征基團分布均勻性示意圖

　　4、流變性能

　　流變性能是采用RHEOTEST-2型旋轉粘度儀，在25℃條件下測試的。

　　與常規的高分子聚電解質溶液一樣，PAC在受到剪切應力的作用時，會發生分子鏈的降解斷鏈，或強攪拌會使原溶液中大分子形成的相互間作用空間網絡破壞。實驗結果表面，與CMC相比，PAC在受到剪切應力的作用時，溶液性能變化程度小，對比結果見圖4。

 

圖4 PAC與CMC流變性能
 

　　在固態下，纖維素分子鏈聚集程不同水平的原纖結構，通常使用纓狀原纖結構理論描述天然纖維素的聚集態結構，分子鏈可以連續的通過晶區和非晶區，晶區和非晶區見并無明顯的界限，而是采用由高序態向低序態逐漸過度的形式，這就決定纖維素的化學反應從低序區開始并逐漸過渡到高序區，同一分子鏈上不同失水葡萄糖單元的取代與否、取代度大小就不會一致。對部分取代的纖維素，必定有未被取代的葡萄糖單元，并引起成品有一定的結晶度，這已為X-射線衍射的測定羧證實。纖維素分子鏈上，與化學性質有關的是失水葡萄糖單元上的伯羥基、仲羥基和糖苷鍵，其中，糖苷鍵比較穩定，不易斷裂，也不與其他羥基形成氫鍵，所以，通常纖維素的化學反應性及其反應均勻性只涉及到3個羥基的性質。失水葡萄糖（AGU）上3個羥基一般不可能都轉化，只能得到部分取代度產物，這是由于：

　　（1）AGU上有1-2個羥基被取代時，立體的阻礙效應使余下的羥基無法完全反應；

　　（2）對特定的反應試劑和反應條件，不是所有的羥基都可及的；

　　（3）在所有可及的羥基上，不同羥基的反應性和反應速率不同。因此，造成每個AGU上3個羥基的取代比例不均一。取代的程度，取代基的分布均勻性是影響產品性能的關鍵因素，是區別CMC與聚陰離子纖維素的決定性因素，CMC取代程度低，純度低，雜質含量高，取代基在AGU上分布嚴重不均；聚陰離子纖維素則取代程度高，純度高，雜質含量低，取代基在AGU上能較為均勻的分布。