纤维素的聚集态结构及其五种变体

纤维素的聚集态结构及其五种变体
纤维素的聚集态结构是研究纤维素分子间的相互排列情况（晶区和非晶区、晶胞大小及形式、分子链在晶胞内的堆砌形式、微晶的大小）、取向结构（分子链和微晶的取向）等。

天然纤维素和再生纤维素纤维都存在结晶的原纤结构，由原先结构及其特性可部分地推知纤维的性质，所以为了解释以纤维素为基质的材料的结构与性能关系，寻找制备纤维素衍生物的更有效方法，则研究纤维素合成的机理、了解纤维素的聚集态结构，在理论研究和实际应用方面都有重要的意义。

为了深入研究纤维素的聚集态结构，必须了解纤维素的各种结晶变体，这些结晶变体都以纤维素为基础，有相同的化学成分和不同的聚集态及结构。

纤维素有五类多种结晶变体（同质异晶体，polymorph）,即纤维素Ⅰ、纤维素Ⅱ、纤维素Ⅲ1、纤维素Ⅲ2、纤维
素Ⅳ1、纤维素Ⅳ2、纤维素Χ，他们之间可以互相转化。

纤维素Ⅰ是纤维素天然存在形式，又叫原生纤维素，包括细菌纤维素、海藻和高等植物（如棉花、麻、木材等）细胞中存在的纤维素。

由于Χ射线衍射设备和研究方法的改进，特别是计算机模拟技术的应用，从20世纪70年代起，应用模型堆砌分析方法已能够定量地确定纤维素及其衍生物链构象中的键长、键角配糖扭转角（φ和ψ）、配糖角（τ）、测基-CH2OH的旋转角（X），链的极性、旋转和相对位移及分子内和分子间的氢键，这使纤维素晶胞架构的研究建立在全新的近代科学基础上，并取得了重大进展。

关于纤维Ⅰ晶胞的结构，主要的突破是解决了链极性（即方向）的问题。

这方面研究以美国的Blackwell和Sarko 为代表。

纤维素Ⅱ是原生纤维素经由溶液中再生或丝光化得到的结晶变体，是工业上使用最多的纤维素形式。

除了在Halicystis海藻中天然存在外，纤维素Ⅱ可以用以下四种方法制得:以浓碱液（较合适的浓度是11%--15%）作用于纤维素而生成碱纤维素，再用水将其分解为纤维素；将纤维素溶解后再从溶液中沉淀出来；将纤维素酯化后，再皂化成纤维素；将纤维素磨碎后，用热水处理。

这种结晶变体与纤维素有很大的不同。

纤维素Ⅲ是用液态氨润胀纤维素所生成的氨纤维素分解后形成的一种变体，是纤维素的第三种结晶变体也称氨纤维素。

也可将原生纤维素或纤维素Ⅱ液氨或胺类处理，再将其蒸发得到，是纤维素的一种低温变体。

从纤维素Ⅱ中得到的纤维素Ⅲ与从原生纤维素得到的纤维素Ⅲ不同，分别称为纤维素Ⅲ2和纤维素Ⅲ1.纤维素Ⅲ的出现有一定的消晶作用，当氨或胺除去后，结晶度和分子排列的有序度都明显下降，可及度增加。

纤维素Ⅳ是由纤维素Ⅱ或Ⅲ在极性液体中以高温处理而生成的，故有高温纤维素之称，是纤维素的第四种结晶变体。

一般它是通过将纤维素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ高温处理而得到的，因此以母题原料的不同，纤维素Ⅳ也分为纤维素Ⅳ1和Ⅳ2，纤维素Ⅳ1的红外光谱与纤维素Ⅰ相似，纤维素Ⅳ2的红外光谱与纤维素Ⅱ相似。

纤维素Ⅳ1与纤维素Ⅳ2氢键网形成情况还有待进一步研究。

纤维素X 是纤维素经过浓盐酸（38-40.3%）处理而得到的纤维素结晶变体。

其X射线图类似纤维素Ⅱ，而晶胞大小又与纤维素Ⅳ相近，实用性不大，研究报道较少。

将纤维素分为五类，是理想的五种形式，其实由于处理方法和技术差异，不同的纤维素晶型会存在于同一纤维素样品中。