劉俊華 張美云 陸趙情 劉 俊
(1.陜西科技大學(xué),陜西省制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021;2.西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)任公司,陜西 西安 710018)
微晶纖維素(Microcrystalline cellulose,MCC)是一種重要的纖維素類功能材料,是植物纖維素經(jīng)過稀酸水解和多種后續(xù)處理而得到的具有極限聚合度(1evel-off degree of polymerization,LODP)的可自由流動(dòng)的白色或者近白色粉末狀物質(zhì)[1],屬于應(yīng)用價(jià)值極高的新型產(chǎn)品。自1875年Girard首次將纖維素稀酸水解的固體產(chǎn)物命名為“ 水解纖維素”后,100多年以來,微晶纖維素的研究,一直是纖維素高分子領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)課題。美國(guó)黏膠纖維公司于1957年研究出微晶纖維素的生產(chǎn)方法,于1961年獲得原始專利并工業(yè)化生產(chǎn)。美國(guó)FMC公司于1961年研究開發(fā)生產(chǎn)微晶纖維素,目前已經(jīng)是全美甚至世界上最大生產(chǎn)公司[2]。我國(guó)在微晶纖維素研究方面起步較晚,但從20世紀(jì)70年代開始我國(guó)在微晶纖維素方面生產(chǎn)已初見成效;20世紀(jì)80年代國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的微晶纖維素逐步取代國(guó)外如西方石油公司、日本等公司的產(chǎn)品;到20世紀(jì)90年代我國(guó)研制的微晶纖維素質(zhì)量達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
MCC的粒度大小一般在20~80μm之間,是一種白色、無(wú)味、無(wú)臭、易流動(dòng)性顆粒,平均聚合度為15~375;結(jié)晶度高于原纖維素,具有纖維素 I 的晶格特征;吸水性極強(qiáng),強(qiáng)剪切作用可以使MCC在水介質(zhì)中形成凝膠體;不溶于水、稀酸、有機(jī)溶劑和油脂[3],在稀堿溶液中部分溶解、潤(rùn)漲;具有賦型、黏合和吸水膨脹等作用[4]。
微晶纖維素主要有三個(gè)基本特征:①平均聚合度達(dá)到極限聚合度值;
② 具有纖維素的晶格特征(晶胞中心與四角子鏈按同一方向平行排列),結(jié)晶度高于原纖維素;
③具有極強(qiáng)的吸水性,并且在水介質(zhì)中經(jīng)強(qiáng)力剪切作用后具有生成膠的能力。
通常所稱的水解纖維素是各類降解纖維素混合產(chǎn)物的總稱,而微晶纖維素只限于具有上述三個(gè)特征的水解纖維素。這個(gè)特征是衡量與檢驗(yàn)微晶纖維素的唯一標(biāo)準(zhǔn),也是區(qū)分微晶纖維素與水解纖維素的主要標(biāo)準(zhǔn)。
目前,國(guó)內(nèi)外微晶纖維素均以天然纖維素為原料。不同的原料、不同的產(chǎn)品等級(jí)在制備過程中制備工藝有所區(qū)別,化學(xué)解鏈條件與解聚用機(jī)械能也不盡相同[5]。用以描述微晶纖維素的指標(biāo)很多,這里僅對(duì)結(jié)晶度、聚合度、比表面積、吸水值、流動(dòng)性和可壓性進(jìn)行說明[6]。
結(jié)晶度是指結(jié)晶區(qū)占纖維素整體的百分率,結(jié)晶度對(duì)纖維的密度和尺寸穩(wěn)定性等有很大影響,X-射線衍射法和紅外光譜法是常用的兩種結(jié)晶度測(cè)試方法[3、8]。通過分析后表明,微晶纖維素都保留有纖維素 I 的結(jié)晶結(jié)構(gòu),結(jié)晶度和晶體大小都比纖維原料的要大,結(jié)晶度一般都在0.60以上[7]。
結(jié)晶度可以通過X-射線衍射法測(cè)得,計(jì)算方法是通過擬合X-射線衍射強(qiáng)度曲線,計(jì)算擬合曲線的面積或高度得到結(jié)晶度[8]。
紅外光譜法也可以用來測(cè)定結(jié)晶度。測(cè)定原理:結(jié)晶區(qū)中的羥基難以被重水取代,而無(wú)定形區(qū)中的羥基很容易被重水取代,羥基被重水取代后,會(huì)表現(xiàn)出不同的紅外譜圖,從而測(cè)出微晶纖維素的結(jié)晶度[7]。
上述兩種方法測(cè)定的結(jié)晶度是有一定差值的,如表1所示。因此,結(jié)晶度值只是一個(gè)相對(duì)值,而不是絕對(duì)值[9]。我們?cè)诒容^結(jié)晶度大小時(shí)候,一定是以同樣的測(cè)得方法為前提。
表1 纖維素結(jié)晶度和晶粒尺寸水解前后的變化
微晶纖維素的聚合度是指纖維素中重復(fù)的葡萄糖結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目。不同原料得到的微晶纖維素的聚合度差別較大。從理論上講,纖維素原料都可以生產(chǎn)不同聚合度范圍的微晶纖維素產(chǎn)品。
聚合度的測(cè)定方法很多,經(jīng)常用到的有粘度法、超速離心法、滲透壓法和光散射法等,目前人們常用黏度法。黏度法通常用銅乙二銨、銅氨和鉻乙二銨溶液為溶劑,不僅效果好,而且裝置簡(jiǎn)單易操作[10]。
微晶纖維素的聚合度分布是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。聚合度的分布測(cè)定常采用分級(jí)沉淀、分級(jí)溶解和凝膠滲透色譜等方法。聚合度的分布范圍越小,說明微晶纖維素的分布均一性越好[11]。微晶纖維素聚合度的分布廣不僅與原料的聚合度分布程度有關(guān),而且與水解的條件和攪拌程度因素有一定關(guān)系。
比表面積是指單位質(zhì)顆粒狀物質(zhì)的總表面積,是評(píng)價(jià)多孔物質(zhì)性能的重要參數(shù)之一。MCC的比表面積可根據(jù)氮?dú)馕胶退魵馕椒y(cè)定,其中以氮?dú)馕綍r(shí)還采用溶劑置換。用不同方法和不同處理方式得到的比表面積不相等。由氮?dú)馕椒ㄖ苯拥玫降氖怯行П缺砻娣e,而由水蒸氣吸附法得到的是內(nèi)在比表面積,其比表面積隨粉碎時(shí)間延長(zhǎng)相應(yīng)增大。利用水蒸氣吸附法測(cè)定比表面積時(shí)與無(wú)定形區(qū)的含量成正比。
吸水值是MCC在水中潤(rùn)脹程度的標(biāo)志。顆粒的大孔體積對(duì)吸水值影響最大,大孔體積越多,吸水值就越大,而與粒徑無(wú)關(guān)。這主要是因?yàn)樵诖罂字斜A粲写罅康牧W娱g結(jié)合水,在測(cè)定吸水值部分結(jié)合水起了決定性的作用,然而MCC將制備成不同濃度的水溶液時(shí)其數(shù)值的變化將隨水溶液由起始濃度的不斷增高而增大。當(dāng)其濃度增至MCC含量為20%左右時(shí),吸水值達(dá)到最大值(200%~300%),然后吸水值隨其濃度的繼續(xù)升高而不斷下降。
微晶纖維素具有極好的流動(dòng)性,不同原料制備的MCC流動(dòng)性不同。這與MCC黏結(jié)性和顆粒大小有關(guān)。黏結(jié)性小則流動(dòng)性較好,顆粒越大,粒間摩擦力小,流動(dòng)性好。
可壓性是指粉狀體被壓制成形的可能性和壓縮物的堅(jiān)實(shí)程度,一般以片劑的硬度衡可壓性。對(duì)同一種原料在同一壓力下片粒度越小,接觸面積越大,片劑的強(qiáng)度也越高。對(duì)于在同一壓力下,可壓性也與MCC孔隙率有關(guān),孔隙率與片劑的強(qiáng)度成正比關(guān)系。
微晶纖維素的制備方法很多,主要有以下幾種:
國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)而且常見的制備微晶纖維素的原料以棉、木漿為主,工藝流程大致為酸催化水解→洗滌→干燥→造粉[12]。用稀鹽酸做催化水解劑,在制備的過程中,添加少量的稀硫酸,產(chǎn)品的得率和白度都有所改善[13]。水解后的微晶纖維素產(chǎn)品用清水沖洗或用稀堿洗滌至中性,低溫干燥并粉碎,可采用噴霧干燥法或氣流粉碎法,把產(chǎn)品粉碎至一定的范圍,這樣可以獲得質(zhì)量較高的微晶纖維素。
王宗德[14]等以杉木木材為原料,將制取的纖維素利用稀酸水解,制備了微晶纖維素。水解的最佳條件是:使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6%的鹽酸,m(杉木纖維素)∶(鹽酸)=1∶20,水解溫度為92 ℃,水解時(shí)間為25 min,產(chǎn)率可達(dá)到94.6%。
與其他原料制備微晶纖維素不同,甘蔗渣具有灰分高、白度低的特點(diǎn),灰分一般介于1.2%~1.8%之間,ISO白度一般介于70%~80%。因此,在用甘蔗渣制備微晶纖維素過程中,增白和除灰處理工藝是必不可少的。具體生產(chǎn)工藝流程為:甘蔗渣→預(yù)處理→水解→洗滌并除灰→干燥→造粉→產(chǎn)品[15]。
羅素娟[16]選擇鹽酸(工業(yè)級(jí))來催化水解制備微晶纖維素,固液比為1∶15,水解進(jìn)行35 min,即達(dá)到極限聚合度,研究表明以甘蔗渣漿粕為原料生產(chǎn)微晶纖維素是可行的,產(chǎn)品質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
稻草中約含40%的纖維素,將這部分纖維素加以利用,是對(duì)纖維素資源的高附加值化利用的體現(xiàn)。陳家楠等[17]研究了利用稻草制備微晶纖維素,制備流程如圖1所示。其中氫氧化鈉堿煮濃度為0.015 mol/L,溫度120 ℃,時(shí)間1~2 h。酸水解條件是:濃度為 2 mol/L的鹽酸,溫度80 ℃,時(shí)間1h,可達(dá)到極限聚合度,然后進(jìn)行漂白、洗滌、過濾及分離,在80 ℃下干燥,經(jīng)粉碎即得到產(chǎn)品。經(jīng)檢測(cè)微晶纖維素的尺寸為20~30μm,聚合度為80~120,結(jié)晶度0.75~0.80,符合要求。
圖1 稻草微晶纖維素的制備方法[8-9]
高等級(jí)微晶纖維素產(chǎn)品是以精制棉或純化木材纖維素為原料。該原料屬于特殊等級(jí)且α-纖維素含量及結(jié)晶度高,酸水解后水洗至中性、干燥,在高速剪切力的作用下吸附相當(dāng)數(shù)量的水分子,從而被膠體化,得到膠體微晶纖維素,再經(jīng)干燥、成粉處理,即成高等級(jí)的粉末微晶纖維素[18]。
陳家楠[19]等研究了用精制棉在105℃下用濃度為2.5 mol/L的鹽酸水解15 min,經(jīng)水洗、干燥后的微晶纖維素顆粒在速率為1 000 r/s的剪切應(yīng)力作用下可得到觸變性的微晶纖維素膠體,在一定的濃度(3%~4%)下得到很好的增稠效果。
根據(jù)微晶纖維素用途的不同,也可以采用其他的生產(chǎn)方法和原料。比如:在輕工領(lǐng)域生產(chǎn)合成革時(shí)控制涂層的黏度,并增加成品的透氣性;在生產(chǎn)電焊條過程中使用的微晶纖維素,可以選擇的原料有竹粉、木屑、稻草、針織物的下腳料等,不僅來源方便,而且產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)低廉[20]。
微晶纖維素的主要形式為細(xì)粉末和膠體狀。前者用于吸附劑或黏合劑,后者用作液體中的分散劑。粉末狀微晶纖維素的應(yīng)用是用作抗結(jié)塊劑,有防結(jié)塊和幫助流動(dòng)的作用。在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生、食品飲料、輕工化工等國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門。
MCC在醫(yī)藥行業(yè)中主要應(yīng)用于兩方面:一方面是MCC在水中強(qiáng)力攪拌下易于形成凝膠,因而其可以用于制備懸浮或膏狀類藥物;另一方面,MCC具有極強(qiáng)的賦型功能,因而可以用于醫(yī)藥壓片行業(yè)的賦型劑。與使用淀粉工藝必須經(jīng)過造粒階段不同,具有黏合性的MCC可以直接壓片,因此工藝得以簡(jiǎn)化,生產(chǎn)效率有了很大提高。另外,使用MCC,還有服用后藥效快、崩解力好、分散好等優(yōu)點(diǎn),故MCC在壓片賦型劑方面得以廣泛應(yīng)用[21]。在制備聚合消毒劑上,利用MCC與卡達(dá)波爾之間物理吸附和化學(xué)吸附作用,其可逆性還能擴(kuò)大卡達(dá)波爾的應(yīng)用范圍[22]。MCC還可以起到吸收膨脹、黏合和賦型等作用,可直接用作壓片的填充劑、崩解劑和黏合劑,省去了傳統(tǒng)的造粒過程,對(duì)片劑的穩(wěn)定性有促進(jìn)作用。在醫(yī)藥行業(yè)中,微晶纖維素另一個(gè)重要用途為藥品的緩釋劑[23]。緩釋劑可以慢慢地釋放活性物質(zhì),可以有效地增加藥品的使用壽命和改善其效果,為病人康復(fù)做出貢獻(xiàn)。
分散劑和MCC混合后用來生產(chǎn)防汗膏、洗手液、膏狀皮膚清潔劑和皮膚保濕劑;在牙膏中加入MCC可以促進(jìn)葡萄糖醇等生物活性物質(zhì)的活性,酶活性在一年后仍可保留83%。在洗滌劑中,MCC可以作保護(hù)性膠體,這種膠體的保護(hù)能力是CMC-Na與H2O混合物保護(hù)能力的6~7倍[24]。
利用MCC 的黏合作用和助燃特性,可用作電焊條用黏合劑和助燃劑[25]。在陶瓷生產(chǎn)過程中,將MCC加入到陶土中,可以提高陶瓷的半成品率,經(jīng)焙燒后該種陶瓷輕盈剔透,質(zhì)地優(yōu)美。除此之外,微晶纖維素還可用于地毯清潔劑、助濾劑、觸媒載體等其他多方面。
MCC 作為食品添加劑,因其天然純凈,無(wú)毒無(wú)味,不影響色、味、形,而具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在食品工業(yè)中,它主要用作乳化劑、泡沫穩(wěn)定劑、高溫穩(wěn)定劑、非營(yíng)養(yǎng)性充填物、增稠劑、懸浮劑、保形劑和控制冰晶形成劑等。
在焙烤食品方面,添加MCC可以有效減少淀粉的用量,但口味可以保持一致。在調(diào)味品的應(yīng)用方面,微晶纖維素在奶酪、奶酪餅、蛋黃醬中可作脂肪替代物。在用作低熱量食品方面,可作為脂肪替代物和面粉替代物。將一定量的MCC、阿拉伯膠和少量甜味劑加到杏仁糖中,就可以取代含熱量較高的植物油脂、甜菜糖和玉米糖漿。在飲料方面,具有很好的穩(wěn)定性和分散性,同時(shí)減少儲(chǔ)存過程中被污染的危險(xiǎn)。在冷凍食品方面,MCC不僅可以使配料的穩(wěn)定性和分散性提高,使冷凍食品保持原形和質(zhì)量的時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng),而且顆粒極細(xì)的MCC可以使人們的口感更加清爽。在用做營(yíng)養(yǎng)食品方面,利用MCC的吸附性,可以通過其對(duì)金屬離子的吸附獲得高礦物質(zhì)含量的食品[26]。
在陶土中添加微晶纖維素,不僅能增加濕坯強(qiáng)度,提高半成品率,而且焙燒時(shí)燒除纖維質(zhì)使陶瓷具有質(zhì)輕透明的特色。
微晶纖維素膠液能在玻璃表面形成極戮的膜式涂層,能為玻璃纖維提供纖維素的表層,使其能用一般的紡織機(jī)器加工。
在涂料中添加微晶纖維素,能使涂料具有觸變性,以控制涂料的黏度、流動(dòng)性與涂刷性能。加入微晶纖維素能對(duì)一些水溶性涂料起到穩(wěn)定和增稠的作用。微晶纖維素還可用于漆的制造。以纖維素黃原酸鹽制成的微晶纖維素作為觸變劑,可制得用于滲透性吸附材料的吸水乳膠漆。指甲油(尤其是硝基漆型)加少量微晶纖維素粉末,可像薄纖維層一樣起增強(qiáng)作用。
在合成革生產(chǎn)中,微晶纖維素粉末作為增黏劑和微孔劑而獲得普遍應(yīng)用。由于MCC顆粒在二甲基甲酞胺中潤(rùn)脹良好,對(duì)合成革浸漬液有增黏作用,而且在合成革的聚氨醋涂層中產(chǎn)生極細(xì)微的孔隙結(jié)構(gòu),使得合成革產(chǎn)品彈性好,革質(zhì)柔軟,透氣性和強(qiáng)度均良好,具有真皮的特征和良好的使用性能,因此其作為真皮代用品已得到廣泛的應(yīng)用。此外,微晶纖維素可作為多功能添加劑。在日本,微晶纖維素作為復(fù)寫紙配料、橡膠和塑料填充劑、各種過濾助劑、電焊條黏合劑和助燃劑使用。
微晶纖維素還可用于化學(xué)工業(yè)等方面,如在氯堿工業(yè)的離子膜鹽水2次精制上,可作為碳素?zé)Y(jié)管式過濾器助濾劑[27]。
微晶纖維素為天然產(chǎn)品,其在生產(chǎn)及應(yīng)用方面擁有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。木質(zhì)植物纖維資源豐富,關(guān)于微晶纖維素的基礎(chǔ)研究及開發(fā)利用如能得到進(jìn)一步加強(qiáng)和重視,資源優(yōu)勢(shì)很自然就會(huì)轉(zhuǎn)變成商品優(yōu)勢(shì),從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。微晶纖維素作為一種新興的纖維素功能材料,在食品、醫(yī)藥、日用化學(xué)品、化工、輕工等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)微晶纖維素總產(chǎn)量中真正用于醫(yī)藥行業(yè)的僅占少半,其他的產(chǎn)量用于食品、皮革工業(yè)等用途[28]。目前,微晶纖維素應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛,我們應(yīng)當(dāng)相信,隨著人們對(duì)微晶纖維素的了解逐漸深入,其應(yīng)用途徑會(huì)越來越廣,重要性也越來越高。
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