高分子物理化学全套课件

2.1.1 纤维素
植物每年通过光合作用，能产生出1000亿吨纤维 素，是纤维素最主要的来源。棉花是自然界中含量 最高的纤维素纤维，其纤维素含量为90－98%。 而木材是纤维素化学工业的主要原料，木材的主要 成分是纤维素、半纤维素和木质素(见表2-1)。
2.1.1 纤维素 表2－1 木材的主要组成比(％)
2.1.1 纤维素
木质素是由苯丙烷结构单元组成的具有复 杂三维空间结构的非晶高分子。
C
C
C
C
C
C
C
C
C
OCH3
CH3O
OCH3
O
O
O
(a)
(b)
木质素的组成单元
(c)
随机聚合的复杂结构
木质素的应用
广泛用于水泥、石膏、石灰、墙衬等化学建材中作为 粉状增强纤维添加剂使用。
适用于沥青路面、乳胶漆、油漆、凹凸花纹粒、保温 材料、耐水 腻子、保温砂浆、外墙腻子、瓷砖粘结剂、 嵌缝石膏、水泥预制板及墙衬等。
1．纤维素酯
纤维素与NaOH和二硫化碳反应可制得纤维素黄酸 钠，它也是一种纤维素的酯类。将此液体喷丝到酸性 凝固液中得到的纤维称再生纤维素，俗称粘胶法人造 丝；若在酸性凝固液中再生成薄膜状，称为玻璃纸， 亦即赛璐玢(Cellophane)。
图2-6 纤维素分子内和分子间的氢键
1．纤维素酯
• 纤维素与硝酸或醋酸酐作用后便生成纤维素硝酸酯或 醋酸酯，俗称硝酸纤维素或醋酸纤维素。
• 一般不容易完全酯化生成三硝酸酯(含N: 14.14%)。
N%: 12.5--13.8% 火棉 ——无烟火药。
N%: 10.5--12% 胶棉 ——制喷漆。 • 醋酸纤维素中应用最广的是二醋酸纤维素，因为它溶
H
1C
O
H HO
H H
2C 3C 4C 5C
OH H OH OH
+ 6 O2
6CH2OH
6 CH2OH
H5
OH
4
H OH H
1
HO
3
H
OH
2
OH
α－D－葡萄糖
图2-4 产生葡萄糖的光合作用反应式
2.1.1 纤维素
在酶的帮助下，葡萄糖通过反应活性很 高的磷酸酯衍生物进行聚合。首先1位羟 基被磷酸酯化，衍生成具有高反应活性 的尿定葡萄糖磷酸酯―葡萄糖(UDP-葡萄 糖)。UDP-葡萄糖受到其它葡萄糖分子 的进攻而聚合生成纤维素。反应方程如 图2-5所示。
CH2OH
H
O OH
H
OH HO
HO
H
HH
D－甘露糖
CH2OH
H
O OH
H
OH H
HO
H
H OH
D－葡萄糖
CH2OH
HO
OH
H
OH H
H
OH
H OH
D－半乳糖
H
HO
OH
H
OH H
H
OH
H OH
L－阿拉伯糖
H CH3O
CH2OH OH
H OH H
OH
H OH
4－O－甲基－D－葡萄糖
图2-2 组成半纤维素的糖残基
树种 针叶木 阔叶木
纤维素 50－55 50－55
半纤维素 15－20 20－25
木质素 25－30 20－25
2.1.1 纤维素
半纤维素是指纤维素以外的碳水化合物(少量 果胶和淀粉除外)，它是由两种或两种以上单 糖残基组成的不均一聚糖，大多带有短侧链。
H
H
O OH
H
OH H
HO
H
H OH
D－木糖
H OH
6CH2OH
H OH
HO
H
4
OH H H
1
HO
O
H5 O
4
H OH H
1
3
H
2
Oห้องสมุดไป่ตู้
H
4
OH H H
1
H
O OH
CH2OH
H OH
n- 2 CH2OH
图2-1 纤维素的 结构式
β-1,4- 苷键连接而成的线型高分子
2.1.1 纤维素
1838年法国科学家佩因（Payen）从 木材提取某种化合物的过程中分离出的 一种物质，由于这种物质是在破坏细胞 组织后得到的，因而佩因把它称为 cell(细胞)和lose(破坏)组成的一个新名 词“cellulose”。
O
HO CH2
H H
OH O
OH H
HO
OPO
H OH
O
O PO O
C
HN
CH
OC
CH
N
CH2 O
H H
HH
UDP－葡萄糖
OH OH
+ D－葡萄糖
HO
4
H
H OH
H
OH H H
1
O
CH2OH
6CH2OH
H5
O
O
4
H OH H
1
3
H
2
H OH
纤维素
H OH
H
O
4
OH H H
1
H
O OH
n- 2 CH2OH
2.1.1 纤维素
植物具有叶绿素，它在阳光下吸收了太 阳辐射能。这种能量使CO2和水在植物体 内进行有机合成，生成单糖。这个过程称 为光合作用，其化学反应式示于图2-4。
2.1.1 纤维素
6 H2O + 6 CO2
光 叶绿素
6 CH2OH
H5
O OH
4
H OH H
1
HO
3
H
2
H OH
β－D－葡萄糖
图2-5 纤维素的生成反应
2.1.1 纤维素
纤维素有三个活泼的羟基，是一种多元 醇化合物，经化学反应后主要形成纤维 素酯和纤维素醚两大类纤维素衍生物。 纤维素衍生物的取代度(替代度)定义为平 均每个葡萄糖残基上被取代的羟基数。 纤维素衍生物的最大取代度为3，取代度 可以不是整数。
纤维素不溶于水和一般有机溶剂，因为纤维 素分子内和分子间存在大量氢键（图2-6）。所 有纤维素衍生物的溶解性都得到改善，从而得到 广泛应用。溶解性改善的原因是取代破坏了纤维 素分子间的氢键强相互作用。
第2章 天然高分子
主要内容
2.1 多糖类 2.2 天然橡胶 2.3 蛋白质 2.4 核酸
2.1 多糖类 2.1.1 纤维素 2.1.2 淀粉 2.1.3 甲壳素、壳聚糖 2.1.4 其他（海藻酸钠等）
2.1 多糖类
2.1.1 纤维素
纤维素（cellulose）可看成是n个聚合的 D-葡 萄糖酐(即失水葡萄糖)。写成通式(C6H10O5)n
木质素磺酸钠
木质素磺酸钠是纤维素工业的副产物。木质 素磺酸钠减水剂系改性木质素磺酸钠，系粉状 低引气性缓凝减水剂，属于阴离子表面活性物 质，对水泥有吸附及分散作用，能改善混凝土 各种物理性能。可复配成早强剂、缓凝剂、防 冻剂、泵送剂等，与萘系高效减水剂复配后制 成的液体外加剂基本没有沉淀产生。符合混凝 土外加剂国家标准。
于廉价的溶剂(如丙酮)中。
Cell OH + HNO3 纤维素
Cell OH + (CH3CO)2O 纤维素
Cell ONO2 + H2O 纤维素硝酸酯
Cell O COCH3 + CH3COO
纤维素醋酸酯
H
1．纤维素 酯
1891年克罗斯（Cross）、贝文 (Bevan)和比德尔（Beadle）等首先用纤 维素浆粕与二硫化碳和烧碱反应，制成纤 维素黄酸钠，这种纤维素的衍生物能在稀 碱中溶解，溶解后的溶液像胶水一样，粘 度很大，因而被命名为“粘胶”。粘胶遇 酸后。纤维素又重新析出。根据这一原理。 1893年发展成为一种制备化学纤维的方法， 产品称为粘胶纤维的化学纤维，并申请了 专利。