CN105622765A - 一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法 - Google Patents

一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法，将羧甲基纤维素钠溶液通过水浴加热至50℃后，倒入反应容器中，通过压力表调节文丘里管中的压强为0.3MPa，然后通过物料泵将反应容器中的羧甲基纤维素钠溶液分两股分别从两个相对的入口输入到文丘里管中，使其在文丘里管中发生撞击并且产生撞击流形成空化作用，经过空化作用后的羧甲基纤维素钠溶液再从文丘里管的出口流回到反应容器中，将反应容器中的羧甲基纤维素钠溶液进行30min循环空化反应后，得到一种低粘度的羧甲基纤维素钠溶液。本发明设备简单、节能高效、成本较低，不需要添加强的氧化试剂，后处理操作简单，并且可以大规模的工业化生产等优点。

Description

一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法
技术领域
本发明涉及一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法，特别涉及到利用物理降解的方法对高粘度的食品添加剂─羧甲基纤维素钠进行降解以制备低粘度的CMC产品。
背景技术
CMC（即羧甲基纤维素钠）是纤维素醚的一种，通常是以短棉绒或木浆为原料，通过氢氧化钠处理后再与氯乙酸钠反应而成，通常有三种制备方法：水媒法、溶液法和溶媒法，也有其它植物纤维被用于制备CMC。CMC是以纤维素为原料，在氢氧化钠和一氯乙酸钠的作用下生产的一种纤维素醚，以CMC取代度（DegreeofSubstitution，DS）是1为例，总反应化学式如下：
[C6H7O2(OH)3]n+nClCH2COOH+2nNaOH→[C6H7O2(OH)2OCH2COONa]n+nNaCl+2H2O
因为制备CMC的原料来源广泛，价格便宜，并且CMC具有优良的增稠、分散、乳化和悬浮等性能，目前已被广泛应用于食品、医药、日化、造纸、牙膏、陶瓷等行业。
目前，随着市场对CMC质量要求的不断提高，对CMC粘度逐渐分成高、中、低、超低等不同粘度的产品。尤其是针对低粘度、超低粘度的CMC的需求已经成为工业发展的趋势。低粘度的CMC对含油脂蛋白质的饮料可起到乳化稳定的作用，也具有极好的悬浮承托力度，用于对果汁、蔬菜汁的澄清、保鲜、贮存等方面；超低粘度型的CMC产品主要用于水泥缓凝剂、钻井等行业。
在国外，有各种级别的CMC产品，其中荷兰的AKZO公司1%的CMC溶液粘度值最低可达到10-15mpa·s，美国的Hercules公司2%的CMC溶液粘度值最低可达到25-50mpa·s，日本的Decil公司2%的CMC溶液粘度值最低可达到10-20mpa·s。在国内低粘度CMC的制备的研究较少，产品多以进口为主。有些学者对CMC的制备进行了研究，例如，吴向彪对高取代度低粘度高纯级的羧甲基纤维素钠的研制进行了研究，其采用的方法为氧化法，利用双氧水进行氧化降粘；梁燕芬对超低粘羧甲基纤维素钠的研制进行了研究，该作者采用的二步降粘法，在碱化及洗涤过程中加入过氧化氢，以降低纤维素钠的粘度，制得超低粘度的羧甲基纤维素钠。以上学者研究的降解方法均是采用化学降解。这种方法存在的最大问题是在反应过程中加入了各种化学试剂，增加了产物分离纯化的难度，也存在许多副反应，也不利于工业化的生产。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对目前的一些降解CMC的方法不足之处，提供一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法，该方法采用水力空化作用来降低羧甲基纤维素钠的粘度。
解决上述技术问题的技术方案是：一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法，包括下述步骤：
A．溶液的配制：称取一定量经过干燥处理后的羧甲基纤维素钠，边搅拌边将羧甲基纤维素钠加入到恒温为70-80℃的蒸馏水中，持续搅拌使其完全溶解，得到浓度为2-4g/L的羧甲基纤维素钠溶液，再用缓冲溶液将该羧甲基纤维素钠溶液的PH值调节至3.5-4，所述的缓冲溶液为体积比为9-5:1的0.2mol/LCH3COOH和0.1mol/LCH3COONa的混合溶液；
B.水力空化：将步骤A中得到的羧甲基纤维素钠溶液通过水浴加热至50-60℃后，倒入反应容器中，通过与文丘里管连接的压力表调节文丘里管中的压强为0.3-0.4MPa，然后通过物料泵将反应容器中的羧甲基纤维素钠溶液分两股分别从文丘里管上两个相对的入口输入到文丘里管中，使该两股羧甲基纤维素钠溶液流体在文丘里管中发生撞击并且产生撞击流形成空化作用，经过空化作用后的羧甲基纤维素钠溶液再从文丘里管的出口流回到反应容器中，即完成了一次空化反应，将反应容器中的羧甲基纤维素钠溶液进行25-30min循环空化反应后，得到一种低粘度的羧甲基纤维素钠溶液；
C.产品的后处理：将步骤B中得到的低粘度的羧甲基纤维素钠溶液进行喷雾干燥，制备成一种固体状的低粘度羧甲基纤维素钠。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤A的具体步骤为：称取一定量经过干燥处理后的羧甲基纤维素钠，边搅拌边将羧甲基纤维素钠加入到恒温为80℃的蒸馏水中，在恒温磁力搅拌器上搅拌一个小时，使羧甲基纤维素钠完全溶解，得到浓度为6g/L的羧甲基纤维素钠溶液，待该羧甲基纤维素钠溶液冷却后，将其静置一夜，再将该羧甲基纤维素钠溶液稀释成浓度为3g/L的羧甲基纤维素钠溶液，然后用缓冲溶液将该羧甲基纤维素钠溶液的PH值调节至3.5，所述的缓冲溶液为体积比为9:1的0.2mol/LCH3COOH和0.1mol/LCH3COONa的混合溶液。
所述的低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法还包括下述步骤：对羧甲基纤维素钠溶液的粘度进行测定，具体测定步骤为：取10ml羧甲基纤维素钠溶液，将其用蒸馏水稀释四倍，然后在水浴温度为30℃下，用乌氏粘度计测定该羧甲基纤维素钠溶液的粘度。
所述的低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法还包括下述步骤：对步骤B中反应容器中的羧甲基纤维素钠溶液进行冷却降温，具体的冷却降温步骤为：将反应容器放置在的水循环槽中，该水循环槽上设有供水进出的入口和出口，通过水循环槽5中流动的水将反应容器中的羧甲基纤维素钠溶液温度降低并保持在50-55℃。
所述的文丘里管为长为40-50cm、宽为10-20cm、高为15-18cm的长方体，该文丘里管的渐缩段斜边的倾斜角α为18°-22°，所述文丘里管的扩散段斜边的倾斜角β为9°-13°。
由于采用上述技术方案，本发明之一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法，具有以下有益效果：
1.针对目前的一些降解CMC的方法不足之处，本发明采用一种新型降解CMC的物理降解方法，即水力空化。水力空化作为一项新技术，与目前的化学降解、生物降解相比是一种新型的降解方法，具有设备简单、节能高效、成本较低，不需要添加强的氧化试剂，后处理操作简单，并且可以大规模的工业化生产等优点。因此，现在被广泛地应用在化工、食品领域，具有很大的研究前景。
2.本发明是通过水力空化作用将高粘度CMC降解为低粘度的CMC，并且要求降解后的产物的理化指标符合国家食品添加剂要求的各项理化指标，本发明反应效率高，原料消耗少，过程简化，设备简单，反应周期短。且本发明是采用市场上浓度较高的、纯净的粉状CMC作原料，制备过程中只加入微量缓冲溶液，调节溶液的PH，在一定的压强、温度、浓度、PH和时间下进行降粘。本发明中的CMC低粘度的制备工艺，无需洗涤精制纯化工艺，既避免了CMC的洗涤溶解损失，也没有溶剂回收的蒸馏工序，后处理简单。适用的降解范围广，纯度基本不降低。
下面，结合说明书附图和具体实施例对本发明之一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：为本发明中进行空化作用的空化装置的结构示意图。
图2:本发明中文丘里管的剖面图。
在上述附图中，各标号说明如下：
1-反应容器，2-物料泵，3-文丘里管，31-进料口Ⅰ，32-进料口Ⅱ，33-出口，4-压力表，5-水循环槽，6-温度计，7-控制阀，8-管道，9-水槽。
具体实施方式
一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法，包括下述步骤：
A．溶液的配制：称取10.00g羧甲基纤维素钠（CMC）固体粉末，在105℃的恒温干燥烘箱内烘干2h，用电子天平称量6.00g经过干燥处理后的羧甲基纤维素钠，边搅拌边将该羧甲基纤维素钠加入到恒温为80℃的蒸馏水中，在恒温磁力搅拌器上搅拌一个小时，使羧甲基纤维素钠完全溶解，得到浓度为6g/L的羧甲基纤维素钠溶液，待该羧甲基纤维素钠溶液冷却后，将其静置一夜，使溶解在羧甲基纤维素钠溶液中的气体排出，再将该羧甲基纤维素钠溶液稀释成浓度为3g/L的羧甲基纤维素钠溶液，然后用缓冲溶液将该羧甲基纤维素钠溶液的PH值调节至3.5，所述的缓冲溶液为体积比为9:1的0.2mol/LCH3COOH和0.1mol/LCH3COONa的混合溶液。
A1．初始溶液的粘度测定：用移液管取10ml步骤A中得到的羧甲基纤维素钠溶液，将其用蒸馏水稀释四倍，然后在水浴温度为30℃下，用乌氏粘度计测定该羧甲基纤维素钠溶液的粘度（参见表一）。
B.水力空化：将步骤A中得到的羧甲基纤维素钠溶液通过水浴加热至50℃后，倒入反应容器1中，通过与文丘里管3连接的压力表4调节文丘里管3中的压强为0.3MPa，然后通过物料泵2将反应容器1中的羧甲基纤维素钠溶液分两股分别从文丘里管3上两个相对的入口输入到文丘里管3中，可以通过控制阀调节羧甲基纤维素钠溶液的流量，使该两股羧甲基纤维素钠溶液流体在文丘里管3中发生撞击并且产生撞击流形成空化作用，经过空化作用后的羧甲基纤维素钠溶液再从文丘里管3的出口流回到反应容器1中，即完成了一次空化反应，将反应容器1中的羧甲基纤维素钠溶液进行30min循环空化反应后，得到一种低粘度的羧甲基纤维素钠溶液。
由于在空化反应的过程中羧甲基纤维素钠溶液的温度会升高，所以需要对反应容器1中的羧甲基纤维素钠溶液进行冷却降温，具体的冷却降温步骤为：将反应容器1放置在的水循环槽5中，该水循环槽5上设有供水进出的入口和出口，通过水循环槽5中流动的水将反应容器1中的羧甲基纤维素钠溶液温度降低并保持在50-55℃。
其中，所述的文丘里管3为长L为40-50cm、宽W为10-20cm、高H为15-18cm的长方体，该文丘里管3的渐缩段斜边的倾斜角α为18°-22°，所述文丘里管3的扩散段斜边的倾斜角β为9°-13°。
B1.空化反应后溶液的粘度测定：取10ml步骤B中得到的一种低粘度的羧甲基纤维素钠溶液，然后用蒸馏水将其稀释四倍，在水浴温度为30℃下，用乌氏粘度计测定降解后低粘度的羧甲基纤维素钠溶液的粘度（参见表一）。
C.产品的后处理：将步骤B中得到的低粘度的羧甲基纤维素钠溶液进行喷雾干燥，制备成一种固体状的低粘度羧甲基纤维素钠。
实验结果：本发明采用下述一点法经验公式测定CMC的粘度。本发明利用CMC粘度的下降率[η]r来表明羧甲基纤维素钠被降解的程度。
其中，[η]0─为未经过水力空化的初始溶剂粘度，mPa·s。
[η]t─为经过水力空化降解t时间后的溶液粘度，mPa·s。
[η]r─为降解效率。
根据本实施例的具体步骤进行两次平行实验，空化时间t为30分钟，实验结果参见表一。
表一：实验数据
r [η]0 [η]t [η] r（%）
1 1.278 0.042 96.71
2 1.273 0.041 96.77
由表一可以求得CMC平均粘度值为41.5mpa·s，该CMC的粘度值小于50mpas，符合《食品添加剂羧甲基纤维素钠》GB1904-2005标准要求。

Claims (5)

1.一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：
A．溶液的配制：称取一定量经过干燥处理后的羧甲基纤维素钠，边搅拌边将羧甲基纤维素钠加入到恒温为70-80℃的蒸馏水中，持续搅拌使其完全溶解，得到浓度为2-4g/L的羧甲基纤维素钠溶液，再用缓冲溶液将该羧甲基纤维素钠溶液的PH值调节至3.5-4，所述的缓冲溶液为体积比为9-5:1的0.2mol/LCH3COOH和0.1mol/LCH3COONa的混合溶液；
B.水力空化：将步骤A中得到的羧甲基纤维素钠溶液通过水浴加热至50-60℃后，倒入反应容器（1）中，通过与文丘里管（3）连接的压力表（4）调节文丘里管（3）中的压强为0.3-0.4MPa，然后通过物料泵（2）将反应容器（1）中的羧甲基纤维素钠溶液分两股分别从文丘里管（3）上两个相对的入口输入到文丘里管（3）中，使该两股羧甲基纤维素钠溶液流体在文丘里管（3）中发生撞击并且产生撞击流形成空化作用，经过空化作用后的羧甲基纤维素钠溶液再从文丘里管（3）的出口流回到反应容器（1）中，即完成了一次空化反应，将反应容器（1）中的羧甲基纤维素钠溶液进行25-30min循环空化反应后，得到一种低粘度的羧甲基纤维素钠溶液；
C.产品的后处理：将步骤B中得到的低粘度的羧甲基纤维素钠溶液进行喷雾干燥，制备成一种固体状的低粘度羧甲基纤维素钠。
2.根据权利要求1所述的一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法，其特征在于：所述步骤A的具体步骤为：称取一定量经过干燥处理后的羧甲基纤维素钠，边搅拌边将羧甲基纤维素钠加入到恒温为80℃的蒸馏水中，在恒温磁力搅拌器上搅拌一个小时，使羧甲基纤维素钠完全溶解，得到浓度为6g/L的羧甲基纤维素钠溶液，待该羧甲基纤维素钠溶液冷却后，将其静置一夜，再将该羧甲基纤维素钠溶液稀释成浓度为3g/L的羧甲基纤维素钠溶液，然后用缓冲溶液将该羧甲基纤维素钠溶液的PH值调节至3.5，所述的缓冲溶液为体积比为9:1的0.2mol/LCH3COOH和0.1mol/LCH3COONa的混合溶液。
3.根据权利要求2所述的一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法，其特征在于：所述的低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法还包括下述步骤：对羧甲基纤维素钠溶液的粘度进行测定，具体测定步骤为：取10ml羧甲基纤维素钠溶液，将其用蒸馏水稀释四倍，然后在水浴温度为30℃下，用乌氏粘度计测定该羧甲基纤维素钠溶液的粘度。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法，其特征在于：所述的低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法还包括下述步骤：对步骤B中反应容器（1）中的羧甲基纤维素钠溶液进行冷却降温，具体的冷却降温步骤为：将反应容器（1）放置在的水循环槽（5）中，该水循环槽（5）上设有供水进出的入口和出口，通过水循环槽（5）中流动的水将反应容器（1）中的羧甲基纤维素钠溶液温度降低并保持在50-55℃。
5.根据权利要求4所述的一种低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法，其特征在于：所述的文丘里管（3）为长为40-50cm、宽为10-20cm、高为15-18cm的长方体，该文丘里管（3）的渐缩段斜边的倾斜角α为18°-22°，所述文丘里管（3）的扩散段斜边的倾斜角β为9°-13°。
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