کربوکسی متیل سلولز یا CMC یک ترکیب آنیونی محلول در آب مشتق شده از سلولز است که به عنوان یک ماده غلیظ کننده، جاذب آب، کنترل کننده ویسکوزیته مواد و امولسیفایر شناخته شده و از آن در صنایع مختلفی همچون صنایع غذایی، داروسازی، تهیه کاغذ، تولید مواد آرایشی و بهداشتی، تولید سرامیک و… استفاده می شود. کربوکسی متیل سلولز یکی از مهمترین سلولز های اتری است که از سلولز قلیایی و به کمک عوامل اتر ساز تشکیل می شود. فرآیند تولید CMC پیچیده و چندان پرهزینه نبوده و تهیه آن حتی در فشار اتمسفر و در دما های نسبتاً پایین تا حداکثر 80 درجه سیلسیوس نیز ممکن می باشد.

پیش از آنکه به شیوه تهیه CMC بپردازیم، قصد داریم ابتدا شما را با مشخصات کلی مهمترین کاربرد های آن در صنعت آشنا کنیم:

آشنایی با مشخصات CMC

CMC که معمولاً به صورت پودر یا گرانول تهیه می شود دارای چگالی در حدود 0.5 تا 0.7 گرم بر سانتی متر مکعب داشته و انحلال 1 درصد از نمک سدیم CMC در آب باعث ایجاد PH 6.5 الی 8.5 می گردد. در صورتی که PH محیط بالاتر از 10 و یا پایین تر از 5 باشد، ویسکوزیته این ترکیب به طور قابل توجهی کاهش می یابد و بنابراین مناسب ترین محدوده اسیدیته برای CMC محدوده بین 5 تا 10 و در حالت ایده آل PH= 7 می باشد.کربوکسی متیل سلولز که با نام سلولز گام نیز شناخته شده، پایداری دمایی خوبی داشته و ویسکوزیته آن در دمای پایین تر از 20 درجه سیلسیوس به شدت افزایش می یابد. در دمای 45 درجه تغییرات ویسکوزیته کندتر می شود و حرارت دیدن طولانی مدت CMC در دما هایی بالاتری از 80 درجه سیلسیوس، باعث تعدیل حالت کلوییدی ترکیب شده و بنابراین ویسکوزیته به طور چشمگیری کاهش پیدا کند.

کاربرد CMC در صنعت

صنایع غذایی: CMC در حوزه صنایع غذایی با نام ثعلب و یا سلولز گام نیز شناخته شده است و اغلب از آن به عنوان غلیظ کننده و حجم دهنده مواد غذایی استفاده می گردد. یکی دیگر از مهمترین کاربرد های ثلعب در صنایع غذایی، پایدار کنندگی امولسیون ها بوده که این فاکتور در تهیه موادی مثل شیر، ماست و یا سایر فرآورده های لبنی که دارای مقادیر زیادی چربی و پروتئین هستند اهمیت بالایی دارد.

داروسازی: کربوکسی متیل سلولز تأیید شده توسط FDA در داروسازی نیز به عنوان یک عامل تجزیه کننده استفاده می شود و به متلاشی شدن قرص ها در دستگاه گوارش و در نتیجه جذب بهتر آن ها کمک می کند. علاوه بر خاصیت تجزیه کنندگی، از CMC به عنوان یکی از مواد تشکیل دهنده در قطره های چشم و همینطور خمیردندان نیز استفاده می گردد.

مواد آرایشی و بهداشتی: CMC در تولید مواد آرایشی و بهداشتی نیز کاربرد های متنوعی داشته و از آن در تولید محصولاتی مثل کرم های محافظت کننده از پوست، کرم دست، شامپو، کرم اصلاح و… استفاده می گردد. به کارگیری این ترکیب باعث می شود انواع لوسیون و کرم بافت منسجم خود را حفظ کرده و یکدست بمانند.

صنایع متفرقه: CMC گستره وسیعی از صنایع را پوشش داده و در حوزهه هایی همچون نساجی، تولید کاشی، کاغذ روغنی، مواد شوینده و صنایع تولید رنگ نیز کاربرد های بسیاری دارد.

فرآیند تولید کربوکسی متیل سلولز

تولید و فرآوری CMC در مقیاس صنعتی از اواسط قرن 20 ام آغاز شده و امروزه میزان تولید آن تا 450,000 تن در سال نیز رسیده که عدد بسیار قابل توجهی است. همانطور که گفته شد فرآیند تولید این ترکیب چندان پیچیده و مشکل نبوده و به دو شیوه استفاده از محلول های الکلی نوع اول و یا فرآیندهای نیمه خشک ممکن می باشد. مراحل تولید CMC به طور کلی به این شرح است:

• سنگ زنی
• مرسریزه کردن با الکل
• اتری کردن
• شستشو با الکل نوع یک
• خشک کردن
• سنگ زنی ثانویه
• الک کردن
• بسته بندی نهایی

در ادامه قصد داریم به توضیح مهمترین مراحل فرآیند تهیه کربوکسی متیل سلولز یعنی مراحل قلیایی کردن، اتری کردن و خالص سازی ترکیب تهیه شده بپردازیم:

• مرسریزه یا قلیایی کردن
• این فرآیند در ابتدا با عملیات سنگ زنی به سلولز در دستگاه گریندینگ آغاز می شود و انتخاب سلولز مناسب و مرغوب تأثیر به سزایی در کیفیت محصول نهایی تولید شده دارد. همانطور که در ابتدای این مطلب گفتیم، کربوکسی متیل سلولز یک سلولز اتری است، بنابراین برای تولید این ترکیب ابتدا باید به سلولز قلیایی دست پیدا کنیم. به همین منظور سلولز را در حضور سود (NaOH) قرار می دهیم تا گروه هیدروکسیل بر روی سلولز قرار گرفته و علاوه بر آن واکنش پذیری ترکیب نیز افزایش پیدا کند.

سلولز ابتدا توسط سود یا سدیم هیدروکسید فعال می گردد و این مرحله با نام مرسریزه کردن نیز شناخته شده است. متد مرسریزه کردن یک فرآیند قلیایی بوده که در آن الیاف سلولز متورم شده و این پدیده باعث شکسته شدن برخی از پیوند های هیدروژنی می گردد. این مرحله باید با دقت بالایی انجام شود تا اتری کردن در مرحله بعد به درستی صورت پذیرد.

• اتری کردن

به منظور اتری کردن سلولز قلیایی شده، از سدیم مونو کلرو استیک اسید (Cl-CH₂-COOH) یا حالت آنیونی آن یعنی مونو کلرو استیک اسید استفاده می شود. این ترکیب با سلولز قلیایی واکنش گرمازا داده و ماده نهایی مورد نیاز ما یا همان سدیم کربوکسی متیل سلولز را که به صورت سدیم CMC نیز میشناسیم تولید می کند. میزان اتری شدن سلولز قلیایی تعیین کننده درجه استخلاف کربوکسی متیل سولز تولید شده می باشد.

• خالص سازی CMC

کربوکسی متیل سلولز تولید شده در انتهای دو مرحله ذکر شده، دارای ناخالصی ها و ترکیبات جانبی است که خارج از کنترل واکنش داده و تولید شده اند. یکی از محصولات جانبی ایجاد شده در فرآیند تولید نمک CMC، سدیم کلرید است. علاوه بر این نمک، از هیدرولیز عامل اتری کننده مورد استفاده یا همان سدیم مونو کلرو استیک اسید، ترکیب سدیم گلیکولات (HO-CH₂-COONa) به جا می ماند. اما برای دستیابی به کربوکسی متیل سلولز خالص نیاز است تا بعد از دو مرحله گفته شده یک مرحله اضافه نیز صورت گیرد. در این مرحله ترکیب تولید شده توسط یک الکل شسته می شود تا نمک های شکل گرفته در فرآیند تولید ترکیب نهایی به حداقل میزان ممکن برسد.