
羧甲基纤维素钠(CMC)具有良好的水溶性,在水溶液中有增稠、黏结、保水、乳化 及悬浮作用,因而广泛应用于石油开采、陶瓷、食品、化妆品、印染、造纸、纺织、涂料、 皮革、塑料、医药等许多行业[1]。
CMC溶液黏度是CMC产品的一项重要性能指标,尤其是溶液的溶液旋转黏度旋转黏度成为衡量 CMC溶液的关键指标,但目前我国不同行业使用的设备仪器,有使用Brookfield型黏度计 (简称B型黏度计)、NDJ-1型黏度计和NDJ-79型黏度计等测试其黏度,种类多,数据不 统一,对质量的评判造成很大麻烦,甚至影响其应用。现阶段国际上普遍采用B型黏度计 来测试CMC黏度,美国ASTM、日本JLS、DCL、英国ICI、芬兰MCS等标准都是采用B 型黏度计,这是因为CMC水溶液属于非牛顿型液体,而B型黏度计比较适用于测定非牛顿 型液体的绝对黏度。B型黏度计在我国一些三资企业和民营企业中使用比较普遍,而大多数 应用行业却还一直采用NDJ-1型黏度计或NDJ-79型黏度计来检测产品指标。分析研究以上 三种黏度计结果差异对生产环节、工艺配方研究部门、应用领域都有重要意义。
制取CMC的主要化学反应分为两步:纤维素与碱水溶液反应生成碱纤维素;碱纤维素 与醚化剂氯乙酸的醚化反应。在CMC的制取过程中,由于原料棉花产地不同,各精制棉生 产厂家对棉短绒的处理方式不同,生产的同一型号精制棉的聚合度会在一定的范围内波动, 同时各纤维素醚企业在生产CMC中碱化、醚化、中和和洗涤等工艺条件也存在着差异,造 成了生产的CMC流变性质的差别。即使用同一型号精制棉生产出的CMC,其黏度也会在 一定的范围内波动,用不同黏度计测试会表现不同的流变性和黏度,但会有一定的趋势性。
国内NDJ-1型旋转黏度计[2]有4种转子(1#、2#、3#、4#)和4种转速(6、12、30、 60r/min),测量范围为10?1X105 mPa.s; NDJ-79型旋转黏度计[3]有三种测试单元(I、II、 III单元)和3种转速(750、75、7.5 r/min),测量范围为1?1X106 mPa.s。美国LVDV-I+ 型Brookfield黏度计[4]采用液晶显示,显示信息包括黏度、扭矩、转子和转速,共有4种转 子(61#、62#、63#、64#)和 18 种转速(0.3、0.6、1.5、3、6、12、30、60、0.5、1.0、2.0、 2.5、4.0、5.0、10、20、50、100 r/min),测量范围为 10?2X 106 mPa.s。
由于采用不同的黏度计会得到不同的测试结果,所以有必要对CMC黏度测试仪器加以 统一,而且国家标准GB 1904-2005《食品添加剂羧甲基纤维素钠》[5]中也规范了使用B型 黏度计来测试CMC的溶液黏度。为了使国内黏度指标尽快同国际接轨,更好地开拓国内外 市场,并满足用户需求,本文采用以上三种黏度计对CMC溶液黏度进行了对比测试,以找 出其规律性和趋势性。
1实验1.1设备和仪器NDJ-1型旋转黏度计,上海精密科学仪器有限公司;NDJ-79型旋转黏度计,上海同济 大学机电厂;LVDV-I +型Brookfield黏度计,美国Brookfield公司。
恒温水浴,温度25±0.2°C;温度计,温度范围0?50°C,精确度0.1°C。
1.2材料和试剂不同黏度的羧甲基纤维素醚,由北京理工大学纤维素研发中心自制。去离子水或蒸馏水。 1.3试验步骤[5]称取经105 ±2C干燥2 h的2.4 g (配制质量分数为1%的试验溶液)或4.8 g (配制质 量分数为2%的试验溶液)CMC试样,精确至1 mg。在玻璃杯内加入237.6 mL (配制质量 分数为1%浓度的试验溶液)或235.2 mL (配制质量分数为2%浓度的试验溶液)水,在搅 拌下慢慢加入试样,然后充分搅拌使试样彻底溶解,将玻璃杯放入恒温水浴25±0.2C下1 h, 取出,手动搅拌10 s,分别用NDJ-1型、NDJ-79型和B型黏度计测定其黏度。
2结果与分析2.1 NDJ-1型、NDJ-79型和B型黏度计测定1%和2% CMC水溶液黏度的对比趋势曲线 选取不同黏度范围的CMC(D.S = 1.00?1.30, Cl-含量<3.00%),用NDJ-1型、NDJ-79型和B型黏度计在25 C ± 0.2C条件下分别测试其1%和2%水溶液的黏度,并绘出了其黏度(s.£m)/(°2°%1)^对比趋势曲线,见图1和图2。
从图1和图2可见:1)随着1%或2% CMC水溶液黏度的加大,三种黏度计的黏度变化趋势曲线均表现为: NDJ-1型黏度计高于B型黏度计,B型黏度计高于NDJ-79型黏度计。由于CMC黏度在一 定范围内的波动性,所以三种黏度计所测1%或2%水溶液黏度没有对应性。
2)由图1可知,NDJ-1型与B型相比较,当NDJ-1型黏度计1%水溶液黏度<1500 mPa+s 时,两种黏度计所测黏度值基本接近;当NDJ-1型1%水溶液黏度>1500 mPa.s时,两种黏 度计所测黏度差距逐渐拉大,随着黏度增大,NDJ-1型黏度计所测黏度值越来越高于B型 黏度计的测定值。
3)由图2可知,NDJ-1型与B型相比较,当B型黏度计2%水溶液黏度彡2000 mPa+s 时,两种黏度计所测黏度值接近;当B型2%水黏度>2000 mPa+s时,两种黏度计所测黏度 值的差距逐渐拉大,随着黏度增大,NDJ-1型黏度计所测黏度值仍出现越来越高于B型黏 度计黏度值的现象。
4)随着1%或2% CMC水溶液黏度的增大,NDJ-79型所测黏度值缓慢增大,与NDJ-1型和B型相比较差距越来越大。
2.2 B型1% CMC水溶液黏度与NDJ-1型、NDJ-79型2%CMC水溶液黏度对比趋势曲线 选取不同黏度范围的CMC(DS = 1.00?1.30,Cl-含量<3.00%),在25±0.2°C条件下,用B型黏度计测试其1%水溶液的黏度,同时用NDJ-1型和NDJ-79型黏度计测试其2%水 溶液的黏度,并绘出了其黏度对比趋势曲线,见图3和图4。由图3和图4可以看出:1)CMC的B型1%水溶液与NDJ-1型2%水溶液黏度近似呈线形关系,但由于黏度的 波动性,仍然无对应性。
2)CMC的B型1%水溶液黏度与NDJ-79型2%水溶液黏度相比较,起初B型1%水溶液黏度值小于NDJ-79型2%水溶液黏度值。随着B型1%水溶液黏度的增大,两者之间的黏 度值差距由大变小;当B型1%水溶液黏度约为3500 mPa.s时,两者黏度值接近;当B型 1%水溶液黏度>3500 mPa+s时两者黏度值差距反而逐渐增大,且B型1%水溶液黏度值高于 NDJ-79型2%水溶液黏度值。
2.3NDJ-1型与NDJ-79型黏度计测定2% CMC水溶液黏度的对比趋势曲线选取不同黏度范围的CMC (D.S = 1.00?
1.30,Cl-质量分数<3.00%),用NDJ-1型和 NDJ-79型黏度计在25±0.2°C条件下分别测试其2%水溶液的黏度,并绘出了其黏度对比 趋势曲线,见图5。
由图5可知,随着2% CMC水溶液黏度 升高,NDJ-79型黏度计与NDJ-1型相比黏度 数值差距逐步增大,且NDJ-1型黏度计所测 黏度值越来越高于NDJ-79型黏度计的黏度 值,但由于CMC黏度的波动性和其溶液在两 种黏度计下所表现的不同流变性,NDJ-1型黏 度计转子为实心,而NDJ-79型黏度计转子为中空,在相同CMC溶液中转动时受到的阻力 较小,且NDJ-79型黏度计的转子转速比NDJ-1型黏度计高,表现出更强的剪切变稀性,因 此相同CMC溶液用NDJ-79型黏度计测试的黏度值比NDJ-1型黏度计低,且黏度仍然无对 应性。
3结论1)随着1%或2% CMC水溶液黏度的增高,三种黏度计的黏度变化趋势曲线均表现为: NDJ-1型黏度计测试结果高于B型黏度计,B型黏度计高于NDJ-79型黏度计。NDJ-79型 所测黏度缓慢增大,与NDJ-1型和B型相比较差距越来越大。NDJ-1型与B型黏度计相比 较,当测试1%黏度时,1500 mPa.s (NDJ-1型1%黏度)是两种黏度计黏度拉大的变化点; 当测试2%黏度时,2000 mPa.s (B型2%黏度)是两种黏度计黏度拉开的变化点。
2) CMC的B型1%黏度和NDJ-1型2%黏度近似呈线形关系。B型1%水溶液黏度与 NDJ-79型2%水溶液黏度相比较,起初B型1%水溶液黏度值小于NDJ-79型2%水溶液黏度 值。随着B型1%水溶液黏度的增大,两者之间的黏度值差距由大变小,当B型1%水溶液 黏度约为3500 mPa.s时,两者黏度值接近;当B型1%水溶液黏度>3500 mPa.s时,两者黏度值差距反而逐渐增大,且B型1%水溶液黏度值高于NDJ-79型2%水溶液黏度值。
3)由于CMC黏度在一定范围的波动性和其溶液对于三种黏度计所表现出的不同流变 性,所以测试的黏度值没有一定的对应性。