La carbossimetilcellulosa (CMC) è un derivato anionico della cellulosa contenente gruppi carbossimetilici solubile in acqua a qualsiasi temperatura. Grazie alle sue caratteristiche proprietà superficiali, resistenza meccanica, idrofilicità regolabile, proprietà viscose, disponibilità, processo di sintesi a basso costo è utilizzata in vari campi come, ad esempio, nel settore alimentare, industrie della carta, tessili e farmaceutiche, ingegneria biomedica, trattamento delle acque reflue, produzione e stoccaggio, produzione di energia.
La carbossimetilcellulosa è un addensante molto efficace che si idrata in acqua fredda e calda. La capacità legante supera i 100 g di acqua per grammo di carbossimetilcellulosa e garantisce una ritenzione idrica stabile durante lunghi tempi di conservazione.
La carbossimetilcellulosa fu sintetizzata per la prima volta nel 1918 ma la produzione commerciale iniziò per la prima volta in Germania negli anni ’20. Inizialmente, poiché la cellulosa veniva estratta principalmente dal legno e da altri precursori vegetali che contenevano un’alta percentuale di fibre di cellulosa, la produzione di carbossimetilcellulosa dipendeva in ultima analisi da tali piante.
Solo successivamente sono stati utilizzati, per la produzione della carbossimetilcellulosa atri precursori di origine vegetale come, ad esempio, pannocchie di mais, polpa di Eucalyptus globulus, scorza d’arancia, scorza di ananas, bagassa di canna da zucchero e alcuni materiali di scarto come carta straccia e tessuti di scarto.
Proprietà della carbossimetilcellulosa
La carbossimetilcellulosa è un polisaccaride lineare in cui le unità ripetitive sono collegate da legami β-1,4-glicosidici. Grazie alla sua elevata solubilità in acqua in un mezzo acquoso dà soluzioni viscose. La viscosità di queste soluzioni è influenzata anche dai parametri come dimensione delle particelle di cellulosa, il peso molecolare e dalle condizioni di sintesi piuttosto che dalla concentrazione.
A seconda della viscosità le soluzioni trovano utilizzi diversi: le soluzioni ad alta viscosità agiscono come agenti gelificanti mentre quelle a bassa viscosità agiscono come legante dell’umidità. Il facile orientamento della catena sotto uno sforzo di taglio conferisce pseudoplasticità e pertanto la viscosità diminuisce all’aumentare della velocità di deformazione. Inoltre il comportamento pseudoplastico della CMC è influenzato da fattori come il valore grado di sostituzione ovvero, il peso molecolare, la temperatura e il numero di sostituenti per unità monomerica.
L’intervallo del grado di sostituzione in cui sono introdotti tre gruppi reattivi idrossili per unità monomerica è generalmente espresso per ciascuna unità da zero a tre. Esso influenza le proprietà di solubilità, emulsionabilità, proprietà addensante, resistenza agli acidi, viscosità e stabilità.
Sintesi
La sintesi della carbossimetilcellulosa avviene tradizionalmente in due steps. Nel primo stadio la cellulosa derivante da vari precursori cellulosici viene fatta reagire con idrossido di sodio (alchilazione) mentre nel secondo stadio il prodotto dell’alcalinizzazione viene fatto reagire con acido cloroacetico a 75 °C per 1.5 ore (eterificazione).
Tuttavia poiché la maggior parte dei precursori contengono anche lignina, pectina, ceneri e altri minerali come, ad esempio, fosforo, potassio e calcio possono essere necessari alcuni trattamenti preliminari come trattamento con l’enzima proteasi, l’inattivazione di vari enzimi dei precursori vegetali, la delignificazione, la deceratura, lo sbiancamento, la sgrassatura, il lavaggio con acido, nonché il trattamento con alcuni composti chimici.
Dopo gli eventuali trattamenti preliminari gli estratti di cellulosa vengono miscelati con reagenti alcalini con conseguente mercerizzazione. Successivamente, i gruppi funzionali –OH di ciascuna unità vengono sostituiti da gruppi –ONa. La reazione con acido cloroacetico porta al prodotto finale.
Usi
La carbossimetilcellulosa è utilizzata nei campi più svariati come nelle industrie tessili come agente addensante delle tinture dei tessuti e come agente apprettante dei filati. Nei tessuti di seta viene applicata come agente pretrattante e livellante per migliorare la solidità del colore.
Per le sue proprietà di essere inodore, insapore, non calorico, fisiologicamente inerte, di formare soluzioni limpide impedendo la separazione di particelle sospese, viene utilizzata come agente ausiliario nell’industria alimentare in qualità di addensante, stabilizzante di emulsioni e di additivi. Negli sciroppi o nei succhi di frutta, viene utilizzata come agente disidratante per garantire la sicurezza alimentare.
A causa delle proprietà superficiali caratteristiche di facile adesione cellulare, bassa citotossicità, eccellente biocompatibilità, biodegradabilità e vitalità cellulare, i materiali a base di carbossimetilcellulosa hanno trovato applicazione in campo biomedico nell’ingegneria dei tessuti, nella medicazione delle ferite, nella rigenerazione ossea e nella somministrazione di farmaci.
Le soluzioni di carbossimetilcellulosa, generalmente associate all’acido ialuronico sono utilizzate per il sollievo temporaneo del bruciore, dell’irritazione e del disagio dovuti alla secchezza dell’occhio agendo come lubrificante nelle lacrime artificiali.