Достижения в приготовлении и применении загустителей

Загуститель, также известный как желирующий агент, при использовании в пищевых продуктах также называется пастой или пищевым клеем. Его основная функция — увеличивать вязкость материальной системы, поддерживать материальную систему в однородном и стабильном состоянии суспензии или эмульгированного состояния или образовывать гель. Загустители при использовании могут быстро увеличить вязкость продукта. Большая часть механизма действия загустителей заключается в использовании расширения структуры макромолекулярной цепи для достижения целей загущения или в образовании мицелл и воды для формирования трехмерной сетчатой структуры для загущения. Он обладает характеристиками меньшей дозировки, быстрого старения и хорошей стабильности и широко используется в пищевой промышленности, покрытиях, клеях, косметике, моющих средствах, печати и крашении, разведке нефти, резине, медицине и других областях. Самым ранним загустителем был водорастворимый натуральный каучук, но его применение было ограничено из-за высокой цены из-за большой дозировки и низкого выхода. Загуститель второго поколения также называют эмульгирующим загустителем, особенно после появления загустителя для масляно-водной эмульсии, он широко используется в некоторых областях промышленности. Однако для эмульгирующих загустителей необходимо использовать большое количество керосина, что не только загрязняет окружающую среду, но и создает угрозу безопасности при производстве и применении. На основе этих проблем появились синтетические загустители, в частности, быстрое развитие получили способы получения и применения синтетических загустителей, образующихся путем сополимеризации водорастворимых мономеров, таких как акриловая кислота, и соответствующего количества сшивающих мономеров.

Виды загустителей и механизм загустения

Существует множество типов загустителей, которые можно разделить на неорганические и органические полимеры, а органические полимеры можно разделить на природные полимеры и синтетические полимеры.

Неорганический загуститель

Неорганические загустители включают два класса: низкомолекулярные и высокомолекулярные, причем низкомолекулярные загустители представляют собой преимущественно водные растворы неорганических солей и поверхностно-активных веществ. Неорганические соли, используемые в настоящее время, в основном включают хлорид натрия, хлорид калия, хлорид аммония, сульфат натрия, фосфат натрия и трифосфат пентанатрия, среди которых хлорид натрия и хлорид аммония обладают лучшим загущающим действием. Основной принцип заключается в том, что ПАВ образуют мицеллы в водном растворе, а наличие электролитов увеличивает количество ассоциаций мицелл, в результате чего сферические мицеллы превращаются в мицеллы палочковидной формы, увеличивая сопротивление движению и тем самым увеличивая вязкость системы. . Однако, когда электролит избыток, это повлияет на мицеллярную структуру, уменьшит сопротивление движению и, таким образом, уменьшит вязкость системы, что является так называемым эффектом высаливания.

К неорганическим высокомолекулярным загустителям относятся бентонит, аттапульгит, силикат алюминия, сепиолит, гекторит и др. Среди них наибольшую коммерческую ценность имеет бентонит. Основной механизм загущения состоит из тиксотропных гелевых минералов, которые набухают за счет поглощения воды. Эти минералы обычно имеют слоистую структуру или расширенную решетчатую структуру. При диспергировании в воде ионы металлов в ней диффундируют из пластинчатых кристаллов, набухают по мере гидратации и, наконец, полностью отделяются от пластинчатых кристаллов, образуя коллоидную суспензию. жидкость. В это время поверхность пластинчатого кристалла имеет отрицательный заряд, а его углы имеют небольшой положительный заряд из-за появления поверхностей излома решетки. В разбавленном растворе отрицательные заряды на поверхности больше, чем положительные заряды на углах, и частицы отталкиваются друг от друга, не утолщаясь. Однако с увеличением концентрации электролита заряд на поверхности ламелей уменьшается, а взаимодействие между частицами меняется от силы отталкивания между ламелями к силе притяжения между отрицательными зарядами на поверхности ламелей и положительными. заряды по краям углов. Вертикально сшитые вместе, образующие структуру карточного домика, вызывающую набухание с образованием геля для достижения эффекта утолщения. В это время неорганический гель растворяется в воде с образованием высокотиксотропного геля. Кроме того, бентонит может образовывать водородные связи в растворе, что способствует образованию трехмерной сетчатой структуры. Процесс гидратационного утолщения неорганического геля и образования картошка показан на схематической диаграмме 1. Интеркаляция полимеризованных мономеров в монтмориллонит для увеличения межслоевого расстояния, а затем интеркаляционная полимеризация in-situ между слоями может привести к образованию органо-неорганического гибрида полимер/монтмориллонит. загуститель. Полимерные цепи могут проходить сквозь листы монтмориллонита, образуя полимерную сетку. Впервые Кадзутоши и др. использовали монтмориллонит на основе натрия в качестве сшивающего агента для введения полимерной системы и приготовили термочувствительный гидрогель с поперечными связями монтмориллонита. Лю Хунъюй и др. использовали монтмориллонит на основе натрия в качестве сшивающего агента для синтеза нового типа загустителя с высокими антиэлектролитными характеристиками, а также протестировали загущающие свойства, а также характеристики композитного загустителя против NaCl и других электролитов. Результаты показывают, что загуститель, сшитый Na-монтмориллонитом, обладает превосходными антиэлектролитными свойствами. Кроме того, существуют также загустители из неорганических и других органических соединений, такие как синтетический загуститель, приготовленный М. Штуру, и другие органические производные солей аммония и тунисская глина, принадлежащая монтмориллониту, которая обладает хорошим загущающим действием.

натуральный полимерный загуститель

Большинство природных полимерных загустителей представляют собой полисахариды, которые имеют долгую историю использования и множество разновидностей, в основном включая эфир целлюлозы, гуммиарабик, камедь рожкового дерева, гуаровую камедь, ксантановую камедь, хитозан, альгиновую кислоту, натрий, крахмал и его денатурированные продукты и т. д. Карбоксиметилцеллюлоза натрия (КМЦ), этилцеллюлоза (ЭК), гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ), гидроксипропилцеллюлоза (ГПЦ), метилгидроксиэтилцеллюлоза (МГЭЦ) в продуктах на основе эфира целлюлозы) и метилгидроксипропилцеллюлоза (МГПЦ) известны как промышленный глутамат натрия. и широко используются в бурении нефтяных скважин, строительстве, покрытиях, продуктах питания, медицине и повседневных химикатах. Этот вид загустителя в основном изготавливается из природного полимера целлюлозы путем химического воздействия. Чжу Ганхуэй считает, что карбоксиметилцеллюлоза натрия (КМЦ) и гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ) являются наиболее широко используемыми продуктами в эфирах целлюлозы. Это гидроксильные и этерификационные группы ангидроглюкозного звена целлюлозной цепи. Реакция (хлоруксусная кислота или оксид этилена). Целлюлозные загустители загущаются за счет гидратации и расширения длинных цепей. Механизм загущения следующий: основная цепь молекул целлюлозы связывается с окружающими молекулами воды посредством водородных связей, что увеличивает текучий объем самого полимера, тем самым увеличивая объем самого полимера. вязкость системы. Его водный раствор представляет собой неньютоновскую жидкость, а его вязкость меняется в зависимости от скорости сдвига и не имеет ничего общего со временем. Вязкость раствора быстро увеличивается с увеличением концентрации, и это один из наиболее широко используемых загустителей и реологических добавок.

Катионная гуаровая камедь представляет собой природный сополимер, извлеченный из бобовых растений, обладающий свойствами катионного поверхностно-активного вещества и полимерной смолы. По внешнему виду представляет собой светло-желтый порошок без запаха или со слабым ароматом. Он состоит на 80% из полисахарида маннозы D2 и галактозы D2 с высокомолекулярным полимерным составом 2∀1. Его 1% водный раствор имеет вязкость 4000~5000 мПас. Ксантановая камедь, также известная как ксантановая камедь, представляет собой анионный полимерный полисахаридный полимер, получаемый путем ферментации крахмала. Он растворим в холодной или горячей воде, но нерастворим в обычных органических растворителях. Характеристика ксантановой камеди заключается в том, что она может сохранять равномерную вязкость при температуре от 0 до 100°С, при этом имеет высокую вязкость при низкой концентрации и обладает хорошей термической стабильностью. ), он по-прежнему обладает превосходной растворимостью и стабильностью, может быть совместим с солями высокой концентрации в растворе и может давать значительный синергетический эффект при использовании с загустителями на основе полиакриловой кислоты. Хитин – это натуральный продукт, полимер глюкозамина и катионный загуститель.

Альгинат натрия (C6H7O8Na)n в основном состоит из натриевой соли альгиновой кислоты, которая состоит из маннуроновой кислоты aL (звено М) и гулуроновой кислоты bD (звено G), соединенных 1,4 гликозидными связями и состоящих из различных фрагментов GGGMMM сополимеры. Альгинат натрия является наиболее часто используемым загустителем для текстильной печати реактивными красками. Напечатанный текстиль имеет яркий рисунок, четкие линии, высокую цветопередачу, равномерную цветопередачу, хорошую проницаемость и пластичность. Он широко используется при печати на хлопке, шерсти, шелке, нейлоне и других тканях.

синтетический полимерный загуститель

1. Загуститель синтетического полимера с химической сшивкой.

Синтетические загустители в настоящее время являются самым продаваемым и самым широким ассортиментом продукции на рынке. Большинство этих загустителей представляют собой микрохимически сшитые полимеры, нерастворимые в воде и способные поглощать воду только для набухания и загустения. Загуститель полиакриловой кислоты является широко используемым синтетическим загустителем, и методы его синтеза включают эмульсионную полимеризацию, обратную эмульсионную полимеризацию и осаждающую полимеризацию. Этот тип загустителя был быстро разработан благодаря его быстрому загущающему эффекту, низкой стоимости и меньшей дозировке. В настоящее время этот тип загустителя полимеризуется тремя или более мономерами, причем основным мономером обычно является водорастворимый мономер, такой как акриловая кислота, малеиновая кислота или малеиновый ангидрид, метакриловая кислота, акриламид и 2-акриламид. 2-метилпропансульфонат и т.п.; второй мономер обычно представляет собой акрилат или стирол; третий мономер представляет собой мономер с эффектом поперечной сшивки, такой как N,N-метиленбисакриламид, сложный эфир бутилендиакрилата или дипропиленфталат и т. д.

Механизм загустения загустителя полиакриловой кислоты имеет два типа: нейтрализационное утолщение и утолщение водородных связей. Нейтрализация и загущение заключаются в нейтрализации кислотного загустителя полиакриловой кислоты щелочью для ионизации ее молекул и создания отрицательных зарядов вдоль основной цепи полимера, полагаясь на отталкивание между однополыми зарядами, способствующими растяжению молекулярной цепи. Открыто для образования сети. структура для достижения эффекта утолщения. Утолщение водородных связей заключается в том, что молекулы полиакриловой кислоты соединяются с водой с образованием молекул гидратации, а затем соединяются с донорами гидроксила, такими как неионогенные поверхностно-активные вещества с 5 или более этоксигруппами. За счет однополого электростатического отталкивания карбоксилат-ионов образуется молекулярная цепь. Спиральное расширение становится стержнеобразным, так что скрученные молекулярные цепи развязываются в водной системе, образуя сетчатую структуру для достижения эффекта утолщения. Различное значение pH полимеризации, нейтрализующий агент и молекулярная масса оказывают большое влияние на загущающий эффект загущающей системы. Кроме того, неорганические электролиты могут существенно влиять на эффективность загущения этого типа загустителя, одновалентные ионы могут только снижать эффективность загущения системы, двухвалентные или трехвалентные ионы могут не только разжижать систему, но и образовывать нерастворимый осадок. Поэтому электролитная стойкость поликарбоксилатных загустителей очень низкая, что делает невозможным их применение в таких областях, как добыча нефти.

В отраслях, где загустители наиболее широко используются, таких как текстильная промышленность, разведка нефти и косметика, требования к характеристикам загустителей, такие как электролитная стойкость и эффективность загущения, очень высоки. Загуститель, полученный полимеризацией в растворе, обычно имеет относительно низкую молекулярную массу, что делает эффективность загущения низкой и не может соответствовать требованиям некоторых промышленных процессов. Высокомолекулярные загустители могут быть получены эмульсионной полимеризацией, обратной эмульсионной полимеризацией и другими методами полимеризации. Из-за плохой электролитной устойчивости натриевой соли карбоксильной группы добавление к полимерному компоненту неионных или катионных мономеров и мономеров с сильной электролитной устойчивостью (например, мономеров, содержащих группы сульфоновой кислоты) может значительно улучшить вязкость загустителя. Устойчивость к электролиту позволяет ему соответствовать требованиям в таких промышленных областях, как третичная добыча нефти. С тех пор, как в 1962 году началась обратная эмульсионная полимеризация, в полимеризации высокомолекулярной полиакриловой кислоты и полиакриламида преобладала обратная эмульсионная полимеризация. Изобрел способ эмульсионной сополимеризации азотсодержащего и полиоксиэтилена или его попеременной сополимеризации с полиоксипропиленовым полимеризуемым поверхностно-активным веществом, сшивающим агентом и мономером акриловой кислоты для получения эмульсии полиакриловой кислоты в качестве загустителя и достиг хорошего загущающего эффекта и обладает хорошими антиэлектролитными свойствами. производительность. Арианна Бенетти и др. применил метод обратной эмульсионной полимеризации для сополимеризации акриловой кислоты, мономеров, содержащих сульфокислотные группы, и катионных мономеров, чтобы изобрести загуститель для косметики. За счет введения в структуру загустителя групп сульфокислоты и четвертичных аммониевых солей, обладающих сильной антиэлектролитной способностью, полученный полимер обладает отличными загущающими и антиэлектролитными свойствами. Марсьяль Пабон и др. использовали обратную эмульсионную полимеризацию для сополимеризации макромономеров акрилата натрия, акриламида и изооктилфенола, полиоксиэтиленметакрилата с получением водорастворимого загустителя гидрофобной ассоциации. Чарльз А. и др. использовали акриловую кислоту и акриламид в качестве сомономеров для получения высокомолекулярного загустителя методом обратной эмульсионной полимеризации. Чжао Цзюньцзы и другие использовали полимеризацию в растворе и обратную эмульсионную полимеризацию для синтеза полиакрилатных загустителей с гидрофобной ассоциацией и сравнили процесс полимеризации и характеристики продукта. Результаты показывают, что по сравнению с полимеризацией в растворе и обратной эмульсионной полимеризацией акриловой кислоты и стеарилакрилата гидрофобный ассоциативный мономер, синтезированный из акриловой кислоты и полиоксиэтиленового эфира жирного спирта, может быть эффективно улучшен с помощью обратной эмульсионной полимеризации и сополимеризации акриловой кислоты. Электролитическая стойкость загустителей. Хэ Пин обсудил несколько вопросов, связанных с получением загустителя полиакриловой кислоты методом обратной эмульсионной полимеризации. В этой статье амфотерный сополимер использовался в качестве стабилизатора, а метиленбисакриламид использовался в качестве сшивающего агента для инициирования акрилата аммония для обратной эмульсионной полимеризации с целью приготовления высокоэффективного загустителя для пигментной печати. Изучено влияние различных стабилизаторов, инициаторов, сомономеров и агентов переноса цепи на полимеризацию. Отмечено, что сополимер лаурилметакрилата и акриловой кислоты можно использовать в качестве стабилизатора, а два окислительно-восстановительных инициатора - пероксид бензоилдиметиланилина и метабисульфит трет-бутилгидропероксида натрия - могут как инициировать полимеризацию, так и получать определенную вязкость. белая мякоть. Считается, что солеустойчивость акрилата аммония, сополимеризованного с менее чем 15% акриламида, увеличивается.

2. Синтетический полимерный загуститель с гидрофобной ассоциацией.

Хотя загустители на основе химически сшитой полиакриловой кислоты широко используются, хотя добавление в состав загустителя мономеров, содержащих группы сульфоновой кислоты, может улучшить его антиэлектролитные характеристики, все еще существует множество загустителей этого типа. Дефекты, такие как плохая тиксотропность системы загустителя и др. Усовершенствованный метод заключается во введении небольшого количества гидрофобных групп в его гидрофильную основную цепь для синтеза гидрофобных ассоциативных загустителей. Гидрофобные ассоциативные загустители — это новые загустители, разработанные в последние годы. В молекулярной структуре имеются гидрофильные части и липофильные группы, проявляющие определенную поверхностную активность. Ассоциативные загустители обладают лучшей солеустойчивостью, чем неассоциативные загустители. Это связано с тем, что ассоциация гидрофобных групп частично противодействует тенденции к скручиванию, вызванной эффектом ионной защиты, или стерический барьер, создаваемый более длинной боковой цепью, частично ослабляет эффект ионной защиты. Эффект ассоциации помогает улучшить реологию загустителя, что играет огромную роль в реальном процессе нанесения. В дополнение к гидрофобным ассоциативным загустителям с некоторыми структурами, о которых сообщалось в литературе, Tian Dating et al. также сообщили, что гексадецилметакрилат, гидрофобный мономер, содержащий длинные цепи, был сополимеризован с акриловой кислотой для получения ассоциативных загустителей, состоящих из бинарных сополимеров. Синтетический загуститель. Исследования показали, что определенное количество сшивающих мономеров и гидрофобных длинноцепочечных мономеров может значительно повысить вязкость. Эффект гексадецилметакрилата (ГМ) в гидрофобном мономере больше, чем эффект лаурилметакрилата (ЛМ). Характеристики ассоциативных сшитых загустителей, содержащих гидрофобные длинноцепочечные мономеры, лучше, чем у неассоциативных сшитых загустителей. На этой основе исследовательская группа также синтезировала ассоциативный загуститель, содержащий терполимер акриловой кислоты/акриламида/гексадецилметакрилата методом обратной эмульсионной полимеризации. Результаты доказали, что как гидрофобная ассоциация цетилметакрилата, так и неионный эффект пропионамида могут улучшить загущающую способность загустителя.

Полиуретановый загуститель с гидрофобной ассоциацией (HEUR) также получил широкое развитие в последние годы. Его преимуществами являются трудность гидролиза, стабильная вязкость и превосходные конструкционные характеристики в широком диапазоне применений, таких как значение pH и температура. Механизм загущения полиуретановых загустителей обусловлен главным образом его особой трехблочной полимерной структурой в виде липофильно-гидрофильно-липофильной, так что концы цепи представляют собой липофильные группы (обычно алифатические углеводородные группы), а середина - водорастворимые гидрофильные. сегмент (обычно полиэтиленгликоль с более высокой молекулярной массой). Изучено влияние размера гидрофобной концевой группы на эффект загущения HEUR. Используя различные методы испытаний, полиэтиленгликоль с молекулярной массой 4000 блокировали октанолом, додециловым спиртом и октадециловым спиртом и сравнивали с каждой гидрофобной группой. Размер мицелл, образуемых HEUR в водном растворе. Результаты показали, что коротких гидрофобных цепей недостаточно для образования гидрофобных мицелл HEUR, и эффект загущения не был хорошим. В то же время, сравнивая стеариловый спирт и полиэтиленгликоль с концевыми лауриловыми спиртами, размер мицелл первого значительно больше, чем у второго, и делается вывод, что сегмент длинной гидрофобной цепи оказывает лучший загущающий эффект.

Основные области применения

Печать и крашение текстиля

Хороший печатный эффект и качество текстильной и пигментной печати во многом зависят от характеристик печатной пасты, а добавление загустителя играет жизненно важную роль в ее работе. Добавление загустителя может обеспечить высокую цветопередачу печатной продукции, четкий контур печати, яркость и насыщенность цвета, а также улучшить проницаемость и тиксотропность продукции. Раньше в качестве загустителя печатных паст в основном использовался натуральный крахмал или альгинат натрия. Из-за сложности изготовления клейстера из натурального крахмала и высокой цены альгината натрия его постепенно заменяют акриловыми загустителями для печати и крашения. Анионная полиакриловая кислота обладает лучшим загустителем и в настоящее время является наиболее широко используемым загустителем, но этот тип загустителя все еще имеет недостатки, такие как стойкость к электролиту, тиксотропность цветной пасты и выход цвета при печати. Среднее значение не является идеальным. Усовершенствованный метод заключается во введении небольшого количества гидрофобных групп в его гидрофильную основную цепь для синтеза ассоциативных загустителей. В настоящее время загустители для печати на внутреннем рынке можно разделить на натуральные загустители, эмульгационные загустители и синтетические загустители в зависимости от различного сырья и методов приготовления. В большинстве случаев, поскольку содержание твердых веществ может превышать 50%, эффект загущения очень хороший.

краска на водной основе

Соответствующее добавление загустителей в краску может эффективно изменить характеристики жидкости лакокрасочной системы и сделать ее тиксотропной, тем самым придавая краске хорошую стабильность при хранении и удобоукладываемость. Загуститель с отличными характеристиками может увеличивать вязкость покрытия во время хранения, препятствовать отделению покрытия и снижать вязкость во время высокоскоростного нанесения покрытия, увеличивать вязкость пленки покрытия после нанесения покрытия и предотвращать возникновение провисания. В традиционных загустителях красок часто используются водорастворимые полимеры, такие как высокомолекулярная гидроксиэтилцеллюлоза. Кроме того, полимерные загустители также можно использовать для контроля удержания влаги в процессе нанесения покрытия на бумажную продукцию. Наличие загустителей позволяет сделать поверхность мелованной бумаги более гладкой и однородной. В частности, загуститель набухающей эмульсии (HASE) защищает от разбрызгивания и может использоваться в сочетании с другими типами загустителей для значительного уменьшения шероховатости поверхности мелованной бумаги. Например, латексная краска часто сталкивается с проблемой отделения воды во время производства, транспортировки, хранения и строительства. Хотя отделение воды можно замедлить за счет увеличения вязкости и диспергируемости латексной краски, такие корректировки часто ограничены, и, что более важно, или за счет выбора загустителя и его подбора для решения этой проблемы.

добыча нефти

При добыче нефти, чтобы получить высокий выход, проводимость определенной жидкости (например, гидравлической энергии и т. д.) используется для разрушения слоя жидкости. Жидкость называется жидкостью гидроразрыва или жидкостью гидроразрыва. Целью гидроразрыва является образование трещин определенного размера и проводимости в пласте, и его успех тесно связан с характеристиками используемой жидкости разрыва. Жидкости для гидроразрыва включают жидкости для гидроразрыва на водной основе, жидкости для гидроразрыва на основе нефти, жидкости для гидроразрыва на спиртовой основе, эмульгированные жидкости для гидроразрыва и пенные жидкости для гидроразрыва. Среди них жидкость для гидроразрыва на водной основе обладает преимуществами низкой стоимости и высокой безопасности и в настоящее время является наиболее широко используемой. Загуститель является основной добавкой в жидкость для гидроразрыва на водной основе, и его разработка продолжалась почти полвека, но получение загустителя для жидкости для гидроразрыва с лучшими характеристиками всегда было направлением исследований ученых в стране и за рубежом. В настоящее время используется множество видов полимерных загустителей жидкости гидроразрыва на водной основе, которые можно разделить на две категории: природные полисахариды и их производные и синтетические полимеры. С непрерывным развитием технологий добычи нефти и увеличением сложности добычи люди выдвигают все новые и более высокие требования к жидкости для гидроразрыва. Поскольку синтетические полимерные загустители более приспособлены к сложным условиям пласта, чем природные полисахариды, они будут играть более важную роль при высокотемпературном гидроразрыве глубоких скважин.

Ежедневные химикаты и продукты питания

В настоящее время в повседневной химической промышленности используется более 200 видов загустителей, в основном включая неорганические соли, поверхностно-активные вещества, водорастворимые полимеры и жирные спирты/жирные кислоты. В основном они используются в моющих средствах, косметике, зубной пасте и других продуктах. Кроме того, загустители также широко используются в пищевой промышленности. Они в основном используются для улучшения и стабилизации физических свойств или форм пищевых продуктов, увеличения вязкости пищевых продуктов, придания пище липкого и восхитительного вкуса и играют роль в загущении, стабилизации и гомогенизации. , эмульгирующий гель, маскирующий, ароматизатор и подсластитель. Загустители, используемые в пищевой промышленности, включают натуральные загустители, полученные из животных и растений, а также синтетические загустители, такие как CMCNa и альгинат пропиленгликоля. Кроме того, загустители также широко используются в медицине, производстве бумаги, керамике, обработке кожи, гальванике и т. д.