微晶纤维素的现状及其前景

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net ·论文与综述 · 微晶纤维素的现状及其前景 徐永建 ,刘姗姗 (陕西科技大学造纸工程学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室 ,陕西 西安 710021) [摘 　要 ] 　微晶纤维素是可自由流动的纤维素晶体组成的天然聚合物 ,它是天然纤维素经稀酸水解并经一 系列处理后得到的极限聚合度的产物。微晶纤维素作为天然植物纤维原料已经进入全面应用阶段。本文论述了 微晶纤维素的特性、理化性质、制备及其应用 ,较全面地介绍了微晶纤维素。 [关键词 ] 　微晶纤维素 ;结晶度 ;聚合度 ;比表面积 ;可压性 ;流动性 ;吸水值 　　微晶纤维素 ( MCC) 是由天然纤维素经稀无机酸 水解[ 1 ]达到极限聚合度的极细微的白色短棒状或无定 形结晶粉末[2 ] ,无臭、无味。制备过程是 :纤维素 →水 解纤维素 (包括微晶纤维素) →纤维素糊精 →β2低聚糖 →纤维素二糖 →D2纤维素。 1 　微晶纤维素的应用 微晶纤维素有两种主要形式 :细粉末和胶体状。 前者用于吸附剂或粘合剂 ,后者作为液体中的分散剂。 粉末状微晶纤维素的应用范围是作为抗结块剂 ,它有 防结块和帮助流动的作用。另外 ,微晶纤维素还是食 品中非营养部分 ,用作健康食品中的食用纤维。作为 功能食用纤维 ,微晶纤维素可起到诸多保健作用。微 晶纤维素有吸油特性 ,所以粉末化的微晶纤维素还被 用作香精和香料油的载体。另外 ,它常被用于某些挤 出食品的助流剂。胶体状微晶纤维素的多功能性表现 在 :乳化和泡沫稳定性 ;高温下稳定性 ;非营养性填充 物和增稠剂 ;液体的稳定和胶化剂 ;改善食品结构 ;悬 浮剂 ;冷冻甜食中控制冰晶形成。 MCC 应用广泛 ,但不同的应用对 MCC 的性质要 求也各不相同。 2 　微晶纤维素的一般性质 微晶纤维素的颗粒大小一般在 20～80μm ,平均 聚合度达到极限聚合度值 15～375 ;具有极强的吸水 性 ,并且在水介质中经强剪切作用后具有生成凝胶体 的能力 ;具有纤维素 I 的晶格特征 (晶胞中心与四角分 子链按同一方向平行排列) ,结晶度高于原纤维素 ;不 具纤维性而流动性极强 ;不溶于水、稀酸、有机溶剂[3 ] 收稿日期 :2008 - 09 - 28 基金项目 :陕西省重点实验室项目“棉短绒的综合利用”资助项目 (05J S28) 作者简介 :徐永建 (1970 - ) ,男 ,陕西西安人 ,陕西科技大学教授 , 博士。主要研究方向 :低污染制浆及溶剂制浆技术 ,功能性纤维素。 和油脂 ,在稀碱溶液中部分溶解、润涨。微晶纤维素具 有赋型、粘合和吸水膨胀等作用。 3 　微晶纤维素的理化性质 MCC 的用途广泛 ,用以描述的指标很多 ,主要有 聚合度、结晶度、粒度、吸水值、润湿热、比表面积、填积 密度、过滤指数和特性粘数等。 3. 1 　结晶度 结晶度是指结晶区占纤维素整体的百分率。结晶 度的大小对纤维素纤维的尺寸稳定性和密度等都有影 响 ,常规测量方法 X2射线衍射法和红外光谱法。通过 分析后表明 ,MCC 都保留有纤维素 I 的结晶 ,结晶度 与晶体大小都比纤维原料的要大 ,结晶度 Kp 一般都 在 0. 60 以上[4 ] 。 3. 2 　聚合度 聚合度是指纤维素中重复的葡萄糖结构单元的数 目。不同原料得到的 MCC 的聚合度差别较大 ,如表 1 所示。MCC 的分散性越小 , 说明 MCC 的分布均 一[5 ] 。从理论上讲 ,纤维素原料都可以生产不同聚合 度范围的 MCC 产品。 表 1 　不同纤维素原料所得的 MCC 的平衡聚合度 [6 ] 纤维素来源 MCC 的平衡聚合度 天然纤维 精制棉 未漂白亚硫酸盐木浆 漂白亚硫酸盐木浆 漂白硫酸盐木浆 球磨木制纤维素 丝光纤维 (18 % NaO H ,20 ℃,2h) 250～200 400～250 280～200 190～140 100～80 90～70 再生纤维 轮胎帘子线 丝线 30～15 50～30 　　注 :实验条件 :温度 105 ℃; HCl 2. 5mol/ L ;时间 15min。 3. 3 　比表面积 比表面积是指单位质量颗粒状物质的总面积 ,是 评价多孔物质性能的重要参数之一。MCC 的比表面 —6— 　2009 年 　第 1 期 　　　　　　　　　　《黑 　龙 　江 　造 　纸》　　　　　　　　　　　　　　　　　　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 积可根据氮气吸附和水蒸气吸附的 B ET 法 (Brunner2 Emmett2Teller met hod)测定。在水蒸气吸附时 ,由于 氢键力较弱 ,当 MCC 浸没在水中时 ,氢键极易被破 坏。所以用不同方法和不同处理方式得到的比表面积 不相等。由氮气吸附法直接得到的是有效面积 ,而由 水蒸气吸附法得到的是内在表面积。其中以氮气吸附 时还采用溶剂置换 ,且比表面积 (水蒸气吸附法) 与无 定形区的含量成正比。 3. 4 　可压性 可压性是指粉状体被压制成形的可能性和压缩物 的坚实程度 ,一般以片剂的硬度衡量可压性。林均柱 等[7 ]研究了不同 MCC 样品既不同粒度的 MCC 在不 同压力下压制的片剂硬度 ,指出同一种原料 ,其片剂的 强度随压力升高而提高。同一种原料在同一压力下 , 粒度越小 ,接触面积越大 ,片剂的强度也越高。 3. 5 　流动性 对于 MCC 的流动性一直存在两种不同的观 点[8 ] 。Fox 等提出微晶纤维素 Avicel 型是自由流动 的 ,而 Mendll ,Bolhuis 和 Lerk 却认为 Avicel P H101 和 P H102 流 动 性 差。Marshall [ 9 ] 研 究 了 Avicel P H101 ,P H102 , P H103 , P H105 后认为没有一种是自 由流动的。其中 P H102 流动性最好 , P H105 流动性 最差 ,这是因为 P H102 由大量不规则的质点形成了粒 状粉末 ,所以粘结性小 ;而 P H105 主要是由小棒条状 颗粒组成 ,这些颗粒连锁 ,阻碍了 MCC 的流动。颗粒 的大小对流动性也有很大的影响[7 ] ,颗粒越大 ,粒间摩 擦力小 ,流动性好。因此 ,颗粒的大小和形状在很大程 度上决定了 MCC 的流动性。 3. 6 　吸水值 吸水值 ( WRV) 是 MCC 在水中润胀程度的标志。 WRV 与由不同原料、不同处理方式所制备的 MCC 的 形态结构的关系见表 2。 从表 2 可见 ,对 WRV 影响最大的不是粒径 ,而是 颗粒的大孔体积 ,大孔体积越多 ,WRV 就越大。这主 要是因为在大孔中保留了大量的粒子间结合水 ,在测 定 WRV 时这部分结合水起了决定性的作用[10 ] 。 表 2 　MCC 的吸水值与形态结构的关系 品名 浆种 粒径/μm 大孔 体积 / cm3·g21 中孔体积/ cm3·g21 WRV/ % 处理方式 Heweten 10 HL 20 HL 40 HL 棉浆 棉浆 棉浆 42 35 30 0. 61 0. 98 0. 48 0. 052 0. 065 0. 062 53 116 58 水解2粉碎 水解2粉碎 水解2喷雾干燥 Filt rak FNA FNS FND 棉浆 棉浆 棉浆 79 66 24 0. 20 0. 36 0. 89 0. 059 0. 057 0. 060 48 52 128 水解2粉碎 水解2粉碎 水解2粉碎 Heweten 10 HZ 20 HZ 40 HZ 木浆 木浆 木浆 26 36 38 0. 99 1. 21 1. 00 0. 092 0. 081 0. 089 99 111 82 水解2粉碎 水解2粉碎 水解2喷雾干燥 4 　微晶纤维素的原料及制备方法 目前 ,国内外 MCC 的生产均以天然纤维素为原 料 ,针对不同的原料 ,以及所需的 MCC 的级别或用 途 ,具体制备时 ,可采用不同的前处理方法 ,化学解链 条件与解聚用机械能。 采用短棉绒和精梳工序的飞花制备 MCC ,不仅使 废物得到利用 ,而且经济效益高 ,这种方法生产出的微 晶纤维素主要用于制药工业。用甘蔗渣来制备的微晶 纤维素必须进行增白和降低灰分处理 ,用甘蔗渣制备 的微晶纤维素 ,可以用于食品工业、化妆品工业、人造 革生产以及其它工业生产上。国外 MCC 产品是以特 殊等级的高α2纤维素含量的纯化木材纤维素为原料 , 在 105 ±1 ℃下 ,用 2. 5N 盐酸处理 15min ,然后水洗、 干燥 ,所得酸解产物的 5 %悬浮液置于 WARIN G捏合 机中混合 30min ,即得胶体微晶纤维素 ,再经干燥即成 高等级的粉末 MCC。根据 MCC 的用途不同 ,还可采 用其它方法生产。例如 :用于电焊条等生产上使用的 MCC ,可以采用针织物的下脚料、稻草、木屑、竹粉等 制取。 5 　前景 MCC 为天然产品 ,它的生产及应用具有得天独厚 的优势。在丰富的纤维素资源中 ,尤其是木本植物纤 维资源 ,如能加强其 MCC 方面的基础研究及开发利 用 ,无疑会使资源优势转变成商品优势 ,进而实现经济 效益。微晶纤维素在医药、食品、轻工、化工、日用化学 品等领域获得了广泛的应用 ,成为一种新兴的纤维素 功能材料。目前 ,微晶纤维素已经进入全面应用阶段 , 特别是在医药工业、食品工业、日用化工、合成革工业 中的应用获得了迅速的发展。作为天然植物纤维原料 制品 ,微晶纤维素在医药食品工业中具有先天的优势 和独特的性质 ,成为多功能的助剂 ,以代替合成产品而 应用 ,从而开辟了微晶纤维素开发应用的途径。 目前国内的生产主要以棉、木浆粕为原料 ,成本较 高 ,以短棉绒、稻草、甘蔗渣为原料制备 MCC 还未形 成大规模工业化生产。由于其原料来源广泛 ,成本较 低 ,对环境的影响较小 ,能够创造较高的经济效益 ,是 开发利用的一个方向。 [参 　考 　文 　献 ] [ 1 ] 　EDWARD C W. 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The microcrystalline cellulose is int roduced including it s p rimary characteristic , t he p hysical and chemical p roperties , t he p reparation methods and t he applications. Keywords :microcrystalline cellulose ; crystallinity ; polymerization degree ; specific surface area ; compressibili2 ty ; fluidity ; absorbing water value (上接第 5 页) 38 %和 15 %。说明液体氧化铝不适合 与其它种类的胶黏剂一起使用 ,不仅起不到协同作用 , 反而会破坏液体氧化铝的增强作用。 图 5 　液体氧化铝用量对陶瓷纤维纸特性的影响 3 　结论 3. 1 　采用液体氧化铝浸渍的陶瓷纤维纸强度最高 ,含 有液体氧化铝的配方强度也很好 ,抗张指数可以达到 4. 70N ·m/ g。但这种陶瓷纤维纸的柔软性极差 ,烧 失量也非常高 ,可见其耐热性能并不好。 3. 2 　采用胶体氧化铝及与水玻璃配合使用的陶瓷纤 维纸 ,强度也不错 ,并且柔软性好 ,烧失量远低于液体 氧化铝 ,耐热性能高。联系到工业实际对陶瓷纤维纸 的要求 ,单独使用胶体氧化铝 ,或与水玻璃配合使用是 比较合适的。 [参 　考 　文 　献 ] [ 1 ] 　康定学. 陶瓷纸[J ] . 西南造纸 ,1999 (5) :37237. [ 2 ] 　葛海桥. 耐火陶瓷纤维发展综述[J ] . 冶金管理 ,2002 (S1) :729. [ 3 ] 　左勤勇 ,高玉杰. 耐高温隔热纸的黏合剂[J ] . 天津造纸 ,2005 (1) : 23227. The Application of Inorganic Adhesive in the Ceramic Fiber Paper ZHOU Hui , L IU Zhong , SUN Wei ( T i anj i n Uni versi t y of S cience and Technolog y , Key L aboratory of Pul p and Pa per i n Ti anj i n , T i anj i n 300457) Abstract : t he ceramic fiber paper , which has good performance in the aspect of fire resistant , is widely used for various high - temperature endurable insulating materials. In this st udy , t hrough different p rocess , t he influ2 ence of different types of inorganic adhesive and t heir combinations on t he t hermodynamic properties and st rengt h p roperties of ceramic fiber paper was investigated. Keywords : ceramic fiber ; ceramic fiber paper ; lo ss on ignition (LOI) ; tensile index —8— 　2009 年 　第 1 期 　　　　　　　　　　《黑 　龙 　江 　造 　纸》