Стеарат кальция: свойства и применение

Стеарат кальция – это сложное неорганическое вещество, состоящее из двухвалентного металла кальция и остатка стеариновой кислоты. Соединение проявляет более слабые поверхностно-активные свойства, чем стеарат натрия. Это связано с иной пространственной структурой молекулы и другими физико-химическими характеристиками. Кальциевый стеарат отличается высокой эмульгирующей и стабилизирующей способностью, его применяют в химической, пищевой промышленности, при создании тканей, бумаги, косметики, лекарственных препаратов. Зарегистрирован как пищевая добавка Е470.

Что такое стеарат кальция

Стеарат кальция – это соединение щелочноземельного металла кальция – Ca²⁺ и остатка одноосновной карбоновой кислоты – стеариновой кислоты (также её называют октадекановой кислотой) -C₁₈H₃₆O₂. Другие названия вещества:

• кальциевый стеарат;
• кальциевое мыло;
• кальций диоктадеканоат;
• карбоксилатная соль кальция;
• стеариновокислый кальций;
• карбоксилат кальция.

Стеарат кальция относят к коллоидным поверхностно-активным веществам (ПАВ). Их молекулы проявляют дифильность или амфифильность, т.е. они содержат противоположные по свойствам части: гидрофобные – нерастворимые в воде и гидрофильные – растворимые в воде, стремящиеся в ней раствориться. За гидрофильность отвечает полярная группировка, а гидрофобные свойствами, как правило, обладает углеводная цепь.

Кальциевое мыло проявляет свойства ПАВ в отношении прямых и обратных эмульсий. Прямые эмульсии — это дисперсные системы первого рода, в них преобладающей является вода, обратные эмульсии — это дисперсии второго рода, в которых преобладает любая неполярная жидкость (масло, дихлорметан, толуол), а вода представлена меньшим количеством. Чаще всего стеариновокислый калий применим для создания устойчивых обратных эмульсий, что связано с его специфическими физическими свойствами. Выделяю несколько технических разновидностей по степени чистоты продукта:

1. Чистый стеарат кальция – содержание вещества не менее 98%, не имеет примесей.
2. Чистый стеарат кальция для анализа – концентрация вещества не менее 98%, содержит незначительное количество примесей, которые не мешают аналитической работе.
3. Химически чистый стеарат кальция содержит более 99% вещества.
4. Особо чистый стеарат кальция – содержание соединение свыше 99%, примесей нет или они обнаруживаются в такой следовой концентрации, которая не влияет на свойства.

Физическо-химические свойства, внешний вид

Диоктадеканоат кальция имеет вид белого однородного тонкодисперсного негигроскопичного порошка. Мелкие кристаллы бесцветны или белого оттенка, твёрдые, не обладают запахом, вкус неприятный, горько-солёный с землистым послевкусием. Насыпная плотность низкая, отличается плохой растворимостью. Почти не растворяется в воде, тяжело растворим в органических растворителях, таких как спирты (метанол), однако растворяется в горячем пиридине.

В нормальных условиях стабилен, температура плавления составляет 155 °С, закипает при 360 °С.  Пары вещества вспыхивают в воздухе при температуре, достигающей 162 °С.  Содержание воды в порошке может достигать 3%, в то же время массовая доля кальция составляет порядка 8%. В жидком, расплавленном состоянии соединение белого цвета, с хорошей текучестью, не пузырится.

Гидрофильно-липофильный баланс карбоксилата кальция колеблется в пределах 3-6 (из 20 возможных). Этот показатель определяет степень выраженности гидрофильный и гидрофобных свойств молекулы. Стеарат кальция находится в группе эмульгаторов обратных эмульсий с плохой дисперсионностью в воде. Кислотное число – 2. Это характеристика, показывающая, сколько молекул щёлочи необходимо для нейтрализации кислых компонентов в 1 г вещества. При растворении стеариновокислый кальций образует щелочную среду, pH – 8 -10.

Формула, производство и получение

Химическая формула кальциевого мыла – CaC₃₆H₇₀O₄. Существует также рациональная формула вещества, которая делает акцент на функциональных группировках, имеющихся в веществе: Ca(C₁₇H₃₅COO)₂. Она показывает, что на один атом кальция приходится два остатка стеариновой кислоты, это связано с тем, что данный металл двухвалентен, т.е. имеет две свободные химические связи.

В лабораторных условиях получить стеарат кальция можно, добавив к стеарату натрия хлористый кальций:

C₁₇H₃₅COONa + CaCl₂ → Ca(C₁₇H₃₅COO)₂↓ + 2NaCl

При этом образуется растворимая соль натрия – хлорид, выпадает осадок белого цвета. Данное взаимодействие используется и в промышленности. Это наиболее старый способ добычи кальциевого мыла, который идёт в несколько этапов:

1. Получение натриевой соли стеариновой кислоты. К карбоновой кислоте приливают раствор едкого натра, в результате образуется стеарат натрия и вода: NaOH + C₁₇H₃₅COOH → С₁₇H₃₅COONa + H₂O.
2. Затем в реактор подают хлористый кальций, в ходе реакции обмена образуется суспензия кальциевого стеарата.
3. Дисперсионная смесь попадает на промывку.
4. Отделившийся порошок стеарата кальция высушивают в условиях вакуума.

Методика сопряжена с высокими расходами и, прежде всего, с наличием большого количества отходов. Образующаяся в ходе двух реакций вода насыщена минеральными солями, такие сточные воды представляют опасность для окружающей среды.  Невыгодными являются потери хлористого натрия, который остаётся неиспользованным в качестве растворённого побочного продукта. Способ затруднителен также тем, что проходит в несколько стадий.

Возможен более эффективный синтез диоктадеканоата кальция при нагревании смеси стеариновой кислоты с оксидом кальция:

C₁₇H₃₅COOH + CaO → Ca(C₁₇H₃₅COO)₂ + H₂O

Эту же реакцию применяют в промышленном производстве при одностадийном синтезе. При этом в реактор загружают стеариновую кислоту и оксид кальция, также туда вносят цеолит – водный алюмосиликат кальция, природный минерал. После этого из реактора выкачивают воздух, герметизируют его и перемешивают содержимое в течение получаса. В итоге образуется стеарат кальция, вода, а цеолит не вступает во взаимодействие и остаётся неизменным, он добавляется в качестве катализатора реакции.

Сегодня ведётся разработка более прогрессивных методов синтеза стеарата кальция, которые бы вбирали в себя достоинства предыдущих методик. Существует способ выработки кальциевого мыла в псевдоожиженных слоях реагентов. Псевдоожиженным называется состояние, в которое вводится сыпучая масса реагентов при пропускании их через зернистый материал. Это не сжижение, а перевод твёрдой массы в псевдосостояние, сходное с жидкостью. Реактор для получения кальциевого стеарата таким образом имеет особенное устройство, необходимое для создания псевдоожиженного слоя. Внутри расположены 4 мешалки, обеспечивающие циркуляцию сыпучих масс, усиливающие трение.

При синтезе карбоксилатной соли кальция таким способом применяют взаимодействие стеариновой кислоты и оксида кальция. Внутри реактора поддерживается стабильная температура. Добавление молекулярных сит или цеолита обеспечивает обезвоживание готового продукта, что даёт возможность исключить процесс сушки в вакууме как дополнительную стадию. Меньшие затраты электроэнергии, одностадийность и экологичность делают методику псевдоожиженных реагентов более выгодной, чем предшествующие ей аналоги.

Воздействие на организм

Стеарат кальция безопасен для человека. В продуктах питания он находится в малой концентрации, никак не влияет на метаболизм. На производстве вдыхание реагента может вызвать раздражение дыхательных путей, приступы кашля, удушье, тяжёлые аллергические реакции. При соприкосновении с кожей провоцирует покраснение, сыпь. Небезопасно для проглатывания. В качестве компонента пищи, ПВХ, моющих средств не оказывает негативного влияния на организм человека и окружающую среду.

Применение

Основная масса производимого стеарата кальция потребляется пластмассовой и химической промышленностью. Добавка является качественным термостабилизатором, предотвращающим старение поливинилхлорида и других полимеров. В продуктах питания пищевая добавка Е470 предотвращает комкование, поглощение воды, выполняет функцию эмульгатора и стабилизатора.

Применение стеарата кальция в пластмассовой промышленности

Кальциевый стеарат применяется как термостабилизатор некоторых полимеров. Такие вещества, как поливинилхлорид, представлены цепочкой соединённых между собой звеньев винилхлоридов. Это пластичная прозрачная пластмасса, используемая как покрытие, электроизоляционный материал.

ПВХ подвергается процессу деструкции, проявляющимся в термоокислении, т.е. старении при участии фактора времени, температурного режима и кислорода воздуха. При этом полимерные связи рушатся и изменяется структура. Внесение термостабилизатора препятствует разрушению связей. Стеарат кальция улавливает хлороводород, выделяющийся при деструкции поливинилхлорида, тем самым предотвращая обесцвечивание и потерю молекул воды материалом.

Для стабилизации ПВХ-композиций, используемых в пищевой промышленности и фармацевтике, часто применяют комбинацию стеаратов кальция и цинка. При этом кальций обеспечивает пролонгированное, длительное действие, надолго защищая продукцию от разложения и деструкции.

Кроме стабилизирующей функции кальциевое мыло выполняет роль смазки при производстве ПВХ и пластмасс. Большое значение вещество имеет при синтезе каучуков. Его добавляют как антиагломерирующий агент, который не допускает слипание каучуковой крошки и её застывание, обеспечивает стабильную рассыпчатую структуру. Карбоксилат кальция необходим для синтеза высокомолекулярных полиолефинов (полиэтилен, полипропилен), в процессе производства которых проявляет смазывающие свойства. Он не только сам является смазочным материалом, но и может быть использован для загущения других смазок (солидол). Однако сфера применение ограничена порогом температурного режима.

Стеарат кальция вносят в состав трубных и кабельных термопластов – полимерных материалов, при нагревании легко переходящих в текучее состояние. Он стабилизирует их, делает более вязкими, ускоряет застывание при нанесении на поверхность.

В химической промышленности стеариновокислый кальций используется как стабилизатор, для достижения плавного взаимодействия с соединениями цинка, олова, свинца, эпоксидной смолой, а также для усиления их эффектов. Соединение является гидрофобизатором, отталкивающим воду. Его добавляют в сыпучие составы для увеличения гидрофобных свойств. Застывающий раствор таких порошков менее подвержен влаге и не пропускает её, при этом не ухудшается воздухопроницаемость, что важно для стройматериалов.

Применение стеарата кальция в пищевой промышленности, фармацевтике и других сферах

Пищевая добавка Е470 – это стабилизатор и эмульгатор. Она безопасна для здоровья и окружающей среды, поэтому её можно найти в таких продуктах, как:

• сухие завтраки;
• фруктовые джемы;
• овощная и рыбная консервация;
• жевательные резинки;
• сахарная пудра;
• сахарозаменители;
• кондитерские изделия.

В порошковой продукции диоктадеканоат кальция играет роль антислёживающего агента, предотвращающего образования комочков. Однако неприятный вкус и низкая растворимость в воде делает пищевую добавку менее применимой, чем другие стеараты.

В фармацевтической промышленности стеариновокислый кальций применяется при изготовлении драже и гелей. Добавка помогает создать необходимую лекарственную форму, которая будет устойчива во внешней среде долгое время. Добавка является эффективным формообразователем, который не влияет на свойства лекарства и не участвует в обмене веществ.

При производстве стройматериалов и тканей добавление стеарата кальция в цементные смеси приводит к усилению гидрофобных свойств. Этот пластификатор улучшает подвижность бетонов, при этом делает их более устойчивыми к действию кислот и воды, предотвращает их разрушение и образование высолов на поверхности.  Карбоксилат кальция необходим в лакокрасочной промышленности для ускорения высыхания красок, а также для придания им матовости.

В косметических средствах стеарат кальция добавляют в карандаши для подводки для создания эффекта водостойкости на ряду с плотной структурой. Такие карандаши отличаются чёткостью начертания и определённой мягкой структурой. Также его вносят в состав порошкообразных косметики: пудр, сухих духов, теней, румян.

Где купить и сколько стоит

Стеарат кальция продаётся заводами-производителями оптом. Стоимость 1 кг порошка добавки составляет порядка 88 рублей. На рынке представлены различные по чистоте вариации вещества, а также крупнодисперсные, мелкодисперсные и ультрамелкодисперсные порошки. В розницу кальциевый стеарат продают магазины, специализирующиеся на химическим реактивах. Цена добавки за 500 грамм – 1000 рублей.

Меры предосторожности

Порошок стеарата кальция может быть токсичным. При работе с ним следует соблюдать меры безопасности: надевать защитную одежду, резиновые перчатки, респиратор. После эксплуатации необходимо тщательно мыть руки, лицо, споласкивать ротовую полость. При попадании на слизистые оболочки и открытые участки коши вещество вызывает сильное раздражение, покраснение, аллергические реакции. Пыль, распространяющаяся в воздухе, взрывоопасна. При перемешивании порошок способен накапливать электрический заряд.

Помещение, в котором проводят работы со стеариновокислым кальцием, должно быть хорошо вентилируемым, проветриваемом. В противном случае высок риск негативного влияния на здоровье и повышается пожароопасность.

Заключение

Стеарат кальция – это кальциевая соль стеариновой кислоты. Она проявляет стабилизирующие, эмульгирующие свойства. Добавка может играть роль поверхностно-активного соединения, но плохо мылиться и тяжело растворяется в воде, уступая в этом другим стератам. Основные сферы применения вещества – химическая промышленность, производство пластмасс. Кальциевое мыло используется для термостабилизации ПВХ, в качестве смазки и загустителя смазки при синтезе различных пластмасс. Это качественный пластификатор стройматериалов. Пищевая добавка Е470 предотвращает слёживание сыпучих продуктов, применяется как эмульгатор при производстве кондитерских изделий, консервации. В косметологии кальциевый стеарат необходим для производства водостойкой косметики, а в фармацевтике – для выпуска гелеобразных и таблетированных лекарственных форм.

Читайте также:

• Стеарат натрия: свойства, формула, реакции, применение
• Стеарат магния: польза и вред, состав, применение, влияние на организм
• Кремниевая кислота: что это, формула, получение, польза и вред
• Оксиды железа: свойства, реакции, применение, польза и вред