№.2 陕西科技大学学报 Apr.2010
·54· JOURNAl。OFSHAANXIUNIVERSITY()FSCIENCE&TECHN01。OGYV01.28
。
文章编号:1000—5811(2010)02—0054—04
微晶纤维素特性的研究
徐永建1’2,敬玲梅1
(1.陕西科技大学造纸工程学院,陕西省造纸技术与特种纸品开发重点实验室,陕西西安 710021;2.陕西
科技大学教育部轻化1二助剂化学与技术重点实验室,陕西西安 710021)
摘 要:对微晶纤维素MCC的聚合度、吸水性、比
面积、表面形状等进行了总结和个别分
析,
了MCC主要特性间的相关性及特性与生产工艺以及本身结构的关系,并对MCC较
少研究的性质如真实密度、玻璃化转化温度进行了较细致的叙述,希望通过对MCC的全面研
究达到将其更好地运用于生产的目的.
关键词:微晶纤维素;MCC;Tg;DP;真实密度
中图法分类号:T$71+1 文献标识码:A
0 引言
微晶纤维素(MicrocrystallineCellulose,简称MCC)是由可自由流动的纤维素晶体组成的天然聚合
物,它是纤维原料经稀酸水解并经一系列处理后得到的极限聚合度的产物[1].MCC具有多方面的特性,如
今国内外对其在需求和应用上都在不断扩大,对MCC特性的研究也在不断深入。目前在制药、食品等行
业对MCC的聚合度、吸水性、比表面积等特性的应用相当广泛,国内外研究人员也正在努力对MCC的特
性进行更全面的探索,使其应用到更广阔的领域,实现MCC的多元化利用,提高利用价值,创造效益.
1 MCC特性及用途分析
1.1 MCC的特性分析
以往对MCC的聚合度、吸水性、比表面积等特性已有很多研究,有了公认的检测方法和基本参数.比
如:MCC结晶度的分析一般采用x一射线衍射分析.通过分析表明,MCC均保留有纤维素I的结晶,且结
晶度与晶体大小比纤维原料的要大,结晶度K。一般都在0.60以上.不同种类及不同浓度的MCC吸水值
有所不同,但都有一个极限值所对应的浓度,极限值一般在200%以上[1].SEM常用于观察MCC的表面
形态,如SEM分析PH102MCC,发现整体表现为粗糙的球形,表面是密集的薄片H].MCC挤出物的性质
可通过傅里叶变换拉曼光谱法(Fouriertransform(FT)Ramanspectroscopy)和环境扫描电子显微镜
(environmentalscanningelectronmicroscopy,ESEM)进行分析,FT—Ramanspectroscopy能区别原先的
物质和干湿挤出物¨].这些对MCC的研究方法和特性已得到公认,近几年国外对MCC又有了较新的研
究进展.
MCC的性质并不是统一
的,具体情况下需要具体分析.将纤维素粉(PC)与MCC进行比较,PC
由于比MCC有着更高的聚合度,因此其表现出海绵般的特性,而MCC则表现出胶体特性.挤压时,PC
中的水由于是以自由水形式存在的,因此很容易被挤压出去.纯的PC挤出成粒时需要大量的水,但在挤
出过程中又会失去很多水,所以纯的PC不能挤出颗粒,而MCCl01、MCC301在挤出时则有很大的含水
*收稿日期:2010—02—27
作者简介:徐永建(1970--),男,陕两省西安市人.教授.博士。研究方向:低污染/溶剂制浆技术和植物纤维资源化
基金项目z陕西省重点实验室项目“棉断绒综合利用”及陕西省。13115”工程重大科技专项“秸秆无污染分解高质化利用技术”
万方数据
第2期 徐永建:微晶纤维素特性的研究 ·55·
范围,所以能成粒,但不同的含水量相应的产品质量也不同.通过SEM分析MCCl01和MCC301,可观察
到MCCl01制成的球粒表面多孔且不像MCC301那样会出现裂缝,相对MCC301来说,MCCl01成粒效
果更佳,具有操作容易和产品性质受欢迎的特点.
有研究发现,通过BET法分析AvicelPH102MCC的表面积大约为1.3ITl2/g,其表面积的测定与在
空气中或真空中无关,但MCC在空气中暴露的时间过长亮度会降低.另一方面依靠结晶度和吸水性分析
得到的表面积却比BET法得到的大得多(Scri。=800l 000In2/g,S,=300in2/g)n],可见不同的研究
方法有不同的结果.
此外,还有相关研究表明MCC的真实密度与目前的一些研究结果存在差异.完美的口和口一纤维素晶
体的密度分别为1.582g/cm3和1.599g/cm3,而100%天然纤维素晶体的真实密度是在1.582g/cm3和
1.599g/cm3之间.但MCC的结晶度都低于100%,所以其真实密度会低于1.582g/cm3,可见在一些研
究中MCC的真正密度被高估了.MCC的真实密度最开始是随着含水量的增加而增加的,到一定程度后
开始减少.这是由于早先的质量增加克服了体积增加,而在吸水量超过5%时则相反,在含水量降到3.3%
左右时就会导致实验数据的错误[7].
MCC中的水分分为3种,最少的是通过水一水作用形成的多层吸附,较多的是通过氢键形成的单层水
分吸附在MCC表面,最后是在MCC结构中“溶解”的水分,其只能通过缓慢的扩散来除去.温度、时间是
影响MCC含水量的主要因素,但温度不是MCC脱水的关键因素,在给定的温度下,时间似乎才是控制解
吸速度的关键参数.如PH102MCC对饱和蒸汽的吸收是可逆的,但在解吸过程中表现出不同的解吸速
率[“.
MCC在水中形成凝胶时,凝胶中主要有两种形式的水分存在,一部分为游离水,一部分为结合水,并
且相互之间迅速交换,这就为保持微晶纤维素凝胶稳定性提供了条件.胶态微晶纤维素在低浓度下可形成
弱凝胶,这可能是在氢键的作用下形成的.由于胶态微晶纤维素在水中可形成的凝胶具有空间障碍的作
用,再加上凝胶强度不大,因此可作为饮料的稳定剂.胶态MCC在水中形成凝胶的主要性质有:(1)具有
摇溶性。(2)具有剪切稀变性.(3)具有良好的时变性.(4)高温和高压处理可提高胶态MCC在水中的分散
性,有利于凝胶的形成.(5)在低酸性条件下,胶态MCC的水溶液具有较好的稳定性.(6)二价金属离子可
显著影响胶态MCC溶液的粘度[33.
在实际应用中需要的MCC的特性往往与生产的MCC产品是有差距的,这需要对MCC的性质进行
更进一步的探索,除了应对MCC的聚合度、吸水性、表面特性等一般特性进行进一步的研究外,还要加大
对其它特性的研究,从而改善工艺条件,生产出符合要求的产品.
1.2 MCC的特性与生产工艺的关系
不同的原材料和工艺影响到所制得的MCC的性质.目前MCC主要是通过酸水解工艺制备,而DP
(聚合度)、结晶度指标、表面粗糙度、完整度都跟水解因素(P
规则圆形及多孔渗水的表面形态,而DP
244制备的药片则呈形状几乎相同的圆形且表面光滑[5].
DP、表面粗糙度及圆度都对MCC产品的容积密度、粉末流动性、吸水性、加速压缩恢复性及紧凑性有
着中到高的影响[2].Rowe等发现MCC的粒度比结晶度更能影响药片的性质.Pesonen和Paronen发现
影响药片的断裂强度最重要的因素是所用物质的表面积,与结晶度、颗粒尺寸、物质的初始形状及成型性
无关[5].MCC的成型性受机械联锁和可塑性影响较大12j.
经初步研究发现MCC的吸水性与多孔性有很大关系,吸水性和聚合度有很大的正向关系,即大分子
的吸水性更强.湿度影响到MCC的机械强度和流动性.当湿度超过5%时,水分子相当于可塑剂,影响
MCC的黏弹性和机械性能,导致MCC片的抗张强度较低,随着湿度的增加,粉末流动性降低.由于MCC
具有一定的可塑性,其在形成片剂时不能形成新的表面积,微粒接触面积减少,从而导致MCC制成的药
片抗张强度降低[2].
Glasstransitiontemperature(Tg)是玻璃化转化温度.MCC表现出3个不同的Tg,且都低于绝干纤
维素的Tg(绝干纤维素的Tg为230℃).专家认为MCC过渡温度的多样性是由于MCC的制备过程中结
构发生变化所引起的.水解过程中无定形区100~200聚合度的解聚作用造成相对分子质量减少,且无定
形区的解聚作用还造成MCC结构的空隙增多,从而使MCC表现出低的Tg,对此还有另外一种假说认为
其原因是无定形区结构的互异性及次要结构的重新整理.首先MCC结构不同会有不同的热量性能,相对
分子质量是影响Tg的关键因素,不同的相对分子质量有不同的化学结构,比如不同的相对分子质量其羧
基含量不同,这些基团存在于无定形区易受水解影响,从而导致不同的Tg.其次不同的取代基也会影响
Tg,可能由于不同取代基在无定形区的不同分配造成区间的互异性,而不同的区间产生不同的Tg,从而
出现3个不同的Tg.而微纤维的存在也会使热量发生变化,引起过渡温度的改变.非结晶区的Tg受水的
影响会减小,但相同含水量的情况下仍会有不同的Tg,不过总体是稳定的[8].
2结束语
总的来说,国内主要研究了MCC的聚合度、表面结构、吸水性等特性,并已有较多的研究成果,而对
MCC其它特性的研究却较少.国外对MCC正进行着更全面的研究,发现了文中所述几个新的特性,这对
扩大MCC的应用范围有着重要的意义.MCC在绝干、含水量一定以及水溶液状态下的性质是有差异的,
需对不同状态下MCC的性质进行全面的研究,以便对其进行更好的利用,创造更多的经济效益.
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STUDYONTHECHARACTERISTICSOF
MICROCRYSTALLINECELLULOSE
XUYong—jian,JINGLing—mei
(1.ShaanxiUniversityofScience&Technology,Shaanxiprovincekeylaboratoryofpapermakingtechnology
andspeciahypaper,Xi’an710021,China;2.KeyLaboratoryofAuxiliaryChemistry&technology
forChemi—
calindustry,MinistryofEducation,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi7an710021,China)
Abstract:Degreesofpolymerdization,watersorptioncapability,surfaceareaandfeatures
andsoonofmicrOcrystallinecellulose(MCC)powdersweresummarizedandanalyzedre—
spectively.AnalysisoftherelationsbetweenthepropertiesofMCCandmanufacturingfac—
torsoritseIfstructureswerestudied.Andtruedensity,glasstransitiontemperature(Tg)
thatfewreDortedwereillustratedindetail.HopedthatMCCcouldbeusedmoreall—around
andbringmuchmorebenefitstothesociety.
Keywords:microcrystallinecellulose;MCC;Tg;DP;TrueDensity
·S瞰瞰E.S£.SE.旺.旺.SE.旺.宣E.配.宣E·SE·蛊E.SEdE.宣E.s蛐绷瞰瞰瞰撤撤瞰缄瞰瞰E.s瞰瞰瞰瞰酗瞰瞰缄蹦蹦蹦鲥队蹦越鲥曼。泓旺
(上接第48页)
HYDROTHERMALSYNTHESISOFMULTIFORMZnO
NANOSTRUCTURESANDTHEIRPHOTOLUMINESCENCEPROPERTIES
CHENYa—fei.MAYong-jun,PEIChong—hua
(Sch001ofMaterialsScienceandEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology’Mianyang
621010,China)
Abstract:Byusingthehydrothermalmethod,asZnCl2andNH4
OHforreagents,1631as
subsidiarv,ZnOnanostructuressweresuccessfullysynthesized.Thephaseandmorphology
oftheDroductwerecharacterizedbymeansofpowderX—raydiffraction(XRD),scanninge—
lectronmicroscoPY(SEM),andtransmissionelectronmicroscopy(TEM),andresearchedthe
effectof1631 inprocessofZnOgrowth.TheresuhsshowthatZnOweresinglecrystal.
Withaddnessof1631,theratiooflengthtoradiiwasminished.andallofZoOnanostruc—
tureshayeastrongindigo—apex,andtheindigo—apexwasaffectedbyspecific
surfaceareaof
Zn0.
Keywords:zincoxide;hydrothermal;1631;opticalproperties
万方数据
微晶纤维素特性的研究
作者: 徐永建, 敬玲梅, XU Yong-jian, JING Ling-mei
作者单位: 徐永建,XU Yong-jian(陕西科技大学造纸工程学院,陕西省造纸技术与特种纸品开发重点实
验室,陕西,西安,710021;陕西科技大学教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室,陕西,西安
,710021), 敬玲梅,JING Ling-mei(陕西科技大学造纸工程学院,陕西省造纸技术与特种纸
品开发重点实验室,陕西,西安,710021)
刊名: 陕西科技大学学报(自然科学版)
英文刊名: JOURNAL OF SHAANXI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE EDITION)
年,卷(期): 2010,28(2)
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xbqgyxyxb201002011.aspx