一种羧甲基纤维素钠的制备方法

技术领域

本申请涉及纤维素醚领域，更具体地说，它涉及一种羧甲基纤维素钠的制备方法。

背景技术

羧甲基纤维素钠是一种阴离子、直链、水溶性纤维素醚，是天然纤维素经过改性后得到的一种衍生物，羧甲基纤维素钠的水溶液具有良好的成膜性、粘性、保水性，还能够起到增稠、乳化、悬浮等作用，广泛用于食品、医药、电子、农药等行业，可用作絮凝剂、乳化剂、增稠剂、成膜剂、保水剂等。

羧甲基纤维素钠在生产时，可采用水媒法、捏合法等，水媒法虽然设备简单，但以水为溶剂，反应体系的含水量过多，易产生较多的副产物，使得醚化效率较低，羧甲基纤维素钠的产品质量较差，捏合法虽然能够对体系温度和加料时间进行控制，但是对温度的可控性较差，淤浆法增加了溶剂体积，提高了纤维素的分散性，同时使得体系温度更加可控，制得的羧甲基纤维素钠品质更优。

羧甲基纤维素钠的粘性和取代度常作为其品质评价标准，而由于羧甲基纤维素钠溶于水后形成的水溶液具有良好的粘性，其溶解过程中，羧甲基纤维素钠粉末易发生团聚作用，使其溶解时间过长，使用时较为不便。

发明内容

为了保证羧甲基纤维素钠粘性的同时，提高羧甲基纤维素钠的溶解速率，本申请提供一种羧甲基纤维素钠的制备方法，采用如下的技术方案：

一种羧甲基纤维素钠的制备方法，包括以下步骤：

预处理：将植物纤维经过疏松、粉碎处理后，过80-100目筛，制得纤维素粉末；

碱化：向纤维素粉末分散于一次碱液中，进行碱化，碱化温度15-40℃，碱化时间50-120min，制得碱纤维素；

一次醚化：向碱化后的物料中喷淋低醚醚化剂和二次碱液，反应温度15-60℃，反应时间为60-120min，制得一次醚化纤维素；

二次醚化：将一次醚化后的物料中喷淋高醚醚化剂和三次碱液，反应温度30-80℃，反应时间50-110min，制得二次醚化纤维素；

中和：向醚化反应后的物料中喷淋中和液，调节pH至6.5-8.5，制得粗制羧甲基纤维素钠；过滤、洗涤、干燥、粉碎：将粗制羧甲基纤维素钠进行过滤、洗涤、离心，上述步骤重复多次后，烘干、粉碎，制得精制羧甲基纤维素钠；

瞬时压差膨化处理：将精制羧甲基纤维素钠分散于渗透液中，浸泡处理后，离心，离心物进行瞬时压差膨化处理后，粉碎制得速溶羧甲基纤维素钠；

包装：将速溶羧甲基纤维素钠进行包装，制得成品。

通过采用上述技术方案，植物纤维经过疏松和粉碎后，变为纤维素粉末，对纤维素粉末的粒径进行限定，增大了纤维素粉末与一次碱液之间的接触面积，碱纤维素与低醚醚化剂接触，同时补充二次碱液，保证一次醚化过程中对碱液的需求，提高一次醚化的醚化效果，一次醚化纤维素与高醚醚化剂接触，并补充三次碱液，保证了二次醚化过程中的碱液需求，减少了两次醚化过程中副反应的产生，提高了醚化效果，从而提高了羧甲基纤维素钠的取代度，增加了其水溶液的粘性。

将精制羧甲基纤维素钠分散于渗透液中，使得渗透液进入羧甲基纤维素钠的孔隙中，使其充分溶胀后，对其进行膨化处理，使得羧甲基纤维素钠吸收的水瞬时闪蒸，羧甲基纤维素钠的颗粒中多孔蓬松，能够为水提供进入的通道，使得水能够顺利进入颗粒内部，从而提高了羧甲基纤维素钠的溶解速率。

优选的，所述一次碱液、二次碱液和三次碱液均由氢氧化钠置于异丙醇中溶解制得，一次碱液的氢氧化钠浓度为20-30％，纤维素粉末与一次碱液的质量比为1:20-30；二次碱液的氢氧化钠浓度为30-40％，三次碱液的氢氧化钠浓度为41-50％。

通过采用上述技术方案，一次碱液对纤维素粉末进行碱化，使得纤维素粉末吸收碱液进行溶胀，变为碱纤维素，初步满足一次醚化的碱液需求，同时纤维素粉末分散于异丙醇中，便于后续反应的充分进行，一次醚化时添加较高浓度的二次碱液，对一次醚化过程中的碱液进行补充，保证醚化效果的同时，减少副反应的发生，二次醚化时添加更高浓度的三次碱液，保证高醚醚化剂与一次醚化纤维素反应过程的醚化效果，进一步提高了产品的醚化效果和取代度。

优选的，所述低醚醚化剂为一氯乙酸的异丙醇溶液，一氯乙酸的浓度为30-50％，碱纤维素与低醚醚化剂的质量比为1:0.4-0.8，低醚醚化剂与二次碱液的质量比为1:0.8-1。

通过采用上述技术方案，异丙醇作为溶剂，能够减少醚化过程中水解副反应的产生，使得制备的羧甲基纤维素钠具有较高的取代度，且碱纤维素分散于异丙醇中，与一氯乙酸均匀接触，从而提高了醚化效果，使得羧甲基纤维素钠具有较高的品质。

优选的，所述高醚醚化剂为一氯乙酸的异丙醇溶液，一氯乙酸浓度为60-75％，一次醚化纤维素与高醚醚化剂的质量比为1:0.4-0.7，高醚醚化剂与三次碱液的质量比为1:0.8-1.1。

通过采用上述技术方案，高醚醚化剂与一次醚化纤维素进行接触，对低醚化的纤维素进行二次醚化，醚化过程为放热过程，分次醚化易于控制反应进程和反应时间，同时使用不同浓度的醚化剂对其进行醚化，能够有效的提高纤维素的醚化效果，从而提高了羧甲基纤维素钠的取代度。

优选的，瞬时压差膨化处理的具体操作包括以下步骤：将精制羧甲基纤维素钠分散于渗透液中，精制羧甲基纤维素钠与渗透液的料液比为1-1.2g:3-4.3mL，22-27℃下处理3-4h后，离心，离心物进行瞬时压差膨化处理后，粉碎制得速溶羧甲基纤维素钠。

通过采用上述技术方案，将精制羧甲基纤维素钠分散于渗透液中，渗透液进入羧甲基纤维素钠的空隙中，使其充分溶胀，离心后对离心物进行膨化处理，使得羧甲基纤维素钠吸收的水瞬时闪蒸，制得的速溶羧甲基纤维素钠颗粒粉末，内部多孔蓬松，溶于水时，水易渗透进入颗粒内部，从而提高羧甲基纤维素钠的溶解速率，控制羧甲基纤维素钠与渗透液的料液比，能够保证渗透液充分渗入羧甲基纤维素钠中，保证羧甲基纤维素钠的溶胀效果。

优选的，所述渗透液包括以下重量份的原料：55-65份的水、135-145份的丙酮。

通过采用上述技术方案，丙酮具有良好的渗透力，同时羧甲基纤维素钠不溶于含水量较低的丙酮，丙酮与水渗透进入羧甲基纤维素钠颗粒的内部，在瞬时压差膨化过程中，丙酮易挥发，能够与水一同瞬时闪蒸，使羧甲基纤维素钠内部留有较多的孔隙，在其溶解时，水易于渗透结合，提高其溶解速率。

优选的，所述渗透液还包括45-55份的麦芽糊精。

通过采用上述技术方案，麦芽糊精溶于水和丙酮，随着丙酮与水一同渗透进入颗粒内部，麦芽糊精将羧甲基纤维素钠颗粒内部的空隙进行填充，丙酮与水瞬时闪蒸后，麦芽糊精对羧甲基纤维素钠颗粒的结构起到支撑作用，在羧甲基纤维素钠溶解时，保留水分渗透的通路，从而提高了羧甲基纤维素钠的溶解速率。

优选的，所述瞬时压差膨化的工艺条件：膨化温度为75-85℃，膨化压力为0.25-0.3MPa，停止时间12-13min，真空干燥温度为60-65℃，直至物料含水率≤5％。

通过采用上述技术方案，在此温度和压力下，羧甲基纤维素钠的膨化效果较好，水和丙酮的闪蒸较为彻底，制得的速溶羧甲基纤维素钠的品质较好。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请的醚化反应分阶段进行，使用低醚醚化剂对碱纤维素进行一次醚化，使用高醚醚化剂对一次醚化纤维素进行二次醚化，便于对反应的进程和反应温度进行控制，从而使得醚化过程更加可控，并减少醚化过程中副反应及副产物的产生，提高了醚化效果，进而提高了羧甲基纤维素的取代度；

3、本申请将精制羧甲基纤维素钠经过渗透液处理，并进行瞬时压差膨化处理，使得羧甲基纤维素钠颗粒内部多孔蓬松，保留有水渗透的通路，从而使得羧甲基纤维素钠与水接触后，水易渗透进入颗粒内部，羧甲基纤维素钠能够快速溶解于水中。

附图说明

图1是一种羧甲基纤维素钠的制备方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图1和实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例

实施例1

参照图1，一种羧甲基纤维素钠的制备方法，包括以下步骤：

预处理：将20kg棉纤维经过疏松、粉碎处理后，过80目筛，制得纤维素粉末；

碱化：将纤维素粉末分散于一次碱液中，进行碱化，纤维素粉末与一次碱液的质量比为1:30，碱化温度15℃，碱化时间120min，制得碱纤维素；

一次醚化：向碱化后的物料中喷淋低醚醚化剂和二次碱液，反应温度15℃，反应时间120min，制得一次醚化纤维素，低醚醚化剂为一氯乙酸的异丙醇溶液，一氯乙酸的浓度为30％，碱纤维素与低醚醚化剂的质量比为1:0.8，低醚醚化剂与二次碱液的质量比为1:0.8；二次醚化：将一次醚化后的物料中喷淋高醚醚化剂和三次碱液，反应温度30℃，反应时间120min，制得二次醚化纤维素，高醚醚化剂为一氯乙酸的异丙醇溶液，一氯乙酸浓度为60％，一次醚化纤维素与高醚醚化剂的质量比为1:0.7，高醚醚化剂与三次碱液的质量比为1:0.8；中和：向醚化反应后的物料中喷淋中和液调节pH至6.5，制得粗制羧甲基纤维素钠；

过滤、洗涤、干燥、粉碎：将粗制羧甲基纤维素钠进行过滤、洗涤、离心、干燥，上述步骤重复多次后，烘干、粉碎，制得精制羧甲基纤维素钠，洗涤使用异丙醇；

瞬时压差膨化处理：将精制羧甲基纤维素钠分散于渗透液中，精制羧甲基纤维素钠与渗透液的料液比为1g:3mL，22℃下处理3h后，离心，离心物进行瞬时压差膨化处理后，粉碎制得速溶羧甲基纤维素钠。

渗透液包括以下重量份的原料：55g水、135g丙酮。

瞬时压差膨化的工艺条件为：膨化温度为75℃，膨化压力为0.25MPa，停止时间为13min，真空干燥温度为60℃，直至物料含水率≤5％。

包装：将精制羧甲基纤维素钠进行包装，制得成品。

一次碱液、二次碱液和三次碱液均有氢氧化钠置于异丙醇中溶解制得，一次碱液的氢氧化钠浓度为20％，二次碱液的氢氧化钠浓度为30％，三次碱液的氢氧化钠浓度为40％。

实施例2

参照图1，一种羧甲基纤维素钠的制备方法，包括以下步骤：

预处理：将20kg棉纤维经过疏松、粉碎处理后，过100目筛，制得纤维素粉末；

碱化：将纤维素粉末分散于一次碱液中，进行碱化，纤维素粉末与一次碱液的质量比为1:20，碱化温度40℃，碱化时间50min，制得碱纤维素；

一次醚化：向碱化后的物料中喷淋低醚醚化剂和二次碱液，反应温度60℃，反应时间60min，制得一次醚化纤维素，低醚醚化剂为一氯乙酸的异丙醇溶液，一氯乙酸的浓度为50％，碱纤维素与低醚醚化剂的质量比为1:0.4，低醚醚化剂与二次碱液的质量比为1:1；

二次醚化：将一次醚化后的物料中喷淋高醚醚化剂和三次碱液，反应温度80℃，反应时间50min，制得二次醚化纤维素，高醚醚化剂为一氯乙酸的异丙醇溶液，一氯乙酸浓度为75％，一次醚化纤维素与高醚醚化剂的质量比为1:0.4，高醚醚化剂与三次碱液的质量比为1:1.1；中和：向醚化反应后的物料中喷淋中和液调节pH至8.5，制得粗制羧甲基纤维素钠；

过滤、洗涤、干燥、粉碎：将粗制羧甲基纤维素钠进行过滤、洗涤、离心、干燥，上述步骤重复多次后，烘干、粉碎，制得精制羧甲基纤维素钠，洗涤使用异丙醇；

瞬时压差膨化处理：将精制羧甲基纤维素钠分散于渗透液中，精制羧甲基纤维素钠与渗透液的料液比为1.2g:4.3mL，27℃下处理4h后，离心，离心物进行瞬时压差膨化处理后，粉碎制得速溶羧甲基纤维素钠。

渗透液包括以下重量份的原料：65g水、145g丙酮。

瞬时压差膨化的工艺条件为：膨化温度为85℃，膨化压力为0.3MPa，停止时间为12min，真空干燥温度为65℃，直至物料含水率≤5％。

包装：将速溶羧甲基纤维素钠进行包装，制得成品。

一次碱液、二次碱液和三次碱液均有氢氧化钠置于异丙醇中溶解制得，一次碱液的氢氧化钠浓度为20％，二次碱液的氢氧化钠浓度为30％，三次碱液的氢氧化钠浓度为40％。

实施例3

实施例3与实施例1的区别之处在于，实施例3中纤维素粉末与一次碱液的质量比为1:5。

实施例4

实施例4与实施例1的区别之处在于，实施例4中，碱纤维素与低醚醚化剂的质量比为1:0.2。

实施例5

实施例5与实施例1的区别之处在于，实施例5中，一次醚化纤维素与高醚醚化剂的质量比为1:0.2。

实施例6

实施例6与实施例1的区别之处在于，实施例6中，渗透液还包括45g的麦芽糊精。

实施例7

实施例7与实施例1的区别之处在于，实施例7中，渗透液还包括55g的麦芽糊精。

实施例8

实施例8与实施例1的区别之处在于，实施例8中，渗透液还包括60g的麦芽糊精。

对比例

对比例1

对比例1与实施例1的区别之处在于，对比例1中仅进行一次醚化，即制得一次醚化纤维素后，进行中和、过滤、洗涤、干燥、粉碎和包装等步骤。

对比例2

对比例2与实施例1的区别之处在于，对比例2中，一次醚化不添加二次碱液。

对比例3

对比例3与实施例1的区别之处在于，对比例3中，二次醚化不添加三次碱液。

对比例4

对比例4与实施例1的区别之处在于，粗制羧甲基纤维素钠仅进行一次过滤、洗涤、离心、干燥。

对比例5

对比例5与实施例1的区别之处在于，碱化时间为3h。

对比例6

对比例6与实施例1的区别之处在于，一次醚化时间为3h。

对比例7

对比例7与实施例1的区别之处在于，二次醚化时间为3h。

对比例8

对比例8与实施例1的区别之处在于，精制羧甲基纤维素钠未经过瞬时压差膨化处理，即为成品。

性能检测试验

一、分别采用实施例1-5以及对比例1-7的制备工艺制得羧甲基纤维素钠，参考GB1886.232-2016《食品安全国家标准食品添加剂羧甲基纤维素钠》检测成品的粘度和取代度，将检测结果记录于表1中。

表1性能测试表

结合实施例1-2和表1能够看出，实施例1-2制得羧甲基纤维素钠具有取代度高，粘性高的特点，说明按照本申请制得的羧甲基纤维素钠，具有产品性能，尤其是取代度和粘性方面较佳的特点。

实施例3与实施例1相比，羧甲基纤维素钠的取代度降低，粘性降低，实施例3与实施例1相比，实施例3中纤维素粉末与一次碱液的质量比增大，即一次碱液的质量减少，一次碱液由氢氧化钠置于异丙醇中制得，一次碱液的质量减少，使得异丙醇的质量减少，纤维素粉末在异丙醇中的分散效果降低，减少了纤维素粉末与溶剂之间的接触面积，异丙醇的渗透效果降低，从而使得碱化效果变差。

实施例4与实施例1相比，羧甲基纤维素钠的取代度降低，实施例4与实施例1相比，实施例4中，碱纤维素与低醚醚化剂的质量比为增加，即低醚醚化剂的质量减少，说明低醚醚化剂的添加量会影响成品的性能，醚化剂的质量减少，碱纤维素与一氯乙酸不能均匀接触，降低了一次醚化的醚化效果，从而降低了成品的醚化度，降低了羧甲基纤维素钠的品质。

实施例5与实施例1相比，羧甲基纤维素钠的取代度降低，粘性降低，实施例5与实施例1相比，实施例5中，一次醚化纤维素与高醚醚化剂的质量比减小，即高醚醚化剂的质量减少，说明高醚醚化剂的添加量会影响成品的性能，一次醚化纤维素与高醚醚化剂的接触面积减少，醚化剂的用量减少，降低了二次醚化纤维素的反应程度，从而降低了羧甲基纤维素钠的品质。

对比例1与实施例1相比，羧甲基纤维素钠的取代度降低，对比例1与实施例1相比，对比例1中仅进行了一次醚化，说明将醚化过程分段进行，能够较为容易得控制反应进程和反应时间，从而有效的把控产品羧甲基纤维素钠的品质，使用不同浓度的醚化剂，能够有效提高纤维素的醚化效果，从而提高了羧甲基纤维素钠的取代度和粘度。

对比例2与实施例1相比，羧甲基纤维素钠的取代度降低，对比例2与实施例1相比，对比例2中一次醚化时未添加二次碱液，说明二次碱液能够提高一次醚化过程的醚化效果，二次碱液能够在一次醚化过程中进一步对纤维素进行碱化，同时进行碱液补充，保证醚化效果的同时，减少副反应的产生，从而提高了产品羧甲基纤维素钠的醚化效果和品质。

对比例3与实施例1相比，羧甲基纤维素钠的取代度降低，粘性降低，对比例3与实施例1相比，对比例3中二次醚化时未添加三次碱液，说明三次碱液能够提高二次醚化的醚化效果，三次碱液能够补充二次醚化过程中需要的碱液，进一步抑制副反应的发生，提高二次醚化的醚化效果，从而提高了产品羧甲基纤维素钠的醚化效果和品质。

对比例4与实施例1相比，羧甲基纤维素钠的取代度降低，粘性降低，对比例4与实施例1相比，对比例4中粗制羧甲基纤维素钠仅进行一次过滤、洗涤、离心、干燥，说明多次过滤、洗涤、离心、干燥能够提高产品羧甲基纤维素钠的纯度，从而提高了产品羧甲基纤维素钠的品质。

对比例5-7与实施例1相比，羧甲基纤维素钠的取代度和粘性相近，对比例5与实施例1相比，对比例5增加了碱化时间，对比例6增加了一次醚化时间，对比例7增加了二次醚化时间，说明增加各阶段的反应时间对产品的性能并未有较大的提升，为提高生产效率，本申请设定的反应时间为较佳反应时间。

二、分别采用实施例1-2、实施例6-8和对比例8的制备工艺制得羧甲基纤维素钠，均取5g的羧甲基纤维素钠溶于100g水中，以搅拌速率100r/min持续搅拌，记录羧甲基纤维素钠完全溶解的时间，并记录于表2中。

表2产品溶解时间表

结合实施例1-2和对比例8能够看出，实施例1-2制得羧甲基纤维素钠能够快速进行溶液，说明对精制羧甲基纤维素钠进行处理，能够使得制得的羧甲基纤维素钠具有速溶的特性。

实施例1-2与对比例8相比，将精制羧甲基纤维素钠分散于渗透液中，对其进行顺时压差膨化处理后，粉碎制得速溶羧甲基纤维素钠，其溶解时间大幅缩短，精制羧甲基纤维素钠分散后，渗透液进入羧甲基纤维素钠的孔隙中，充分溶胀后，膨化处理过程中，羧甲基纤维素钠中的水顺时闪蒸，使得干燥后的羧甲基纤维素钠颗粒中存在较多孔隙，内部多孔蓬松，在速溶羧甲基纤维素钠溶于水时，水沿孔隙快速进入并浸润羧甲基纤维素钠颗粒，从而提高了羧甲基纤维素钠的溶解速率。

实施例6-7与实施例1相比，溶解时间进一步缩短，实施例6-7与实施例1相比，渗透液中还包括麦芽糊精，说明麦芽糊精的添加能够加快羧甲基纤维素钠的溶解速率，麦芽糊精溶于水和丙酮后，随丙酮和水一同渗透进入羧甲基纤维素钠颗粒内部，丙酮与水在瞬时闪蒸后，麦芽糊精能够对羧甲基纤维素钠颗粒内部的结构起到支撑作用，在羧甲基纤维素钠溶解时，水能够沿麦芽糊精支撑起的通路进入，从而提高了羧甲基纤维素钠的溶解速率。

实施例8与实施例6相比，溶解时间增加，实施例8与实施例6相比，麦芽糊精的添加量增加，说明麦芽糊精的添加量对羧甲基纤维素钠的溶解速率有所影响，麦芽糊精的添加量过多，使得麦芽糊精形成的支撑结构孔隙率下降，从而减少了水分渗透的通路，降低了羧甲基纤维素钠的溶解速率。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。