纤维素42天然高分子材料
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Natural Polymers: Cellulose
纤维素的来源与分类
1. 植物纤维素 • 自然界中存在量最大的一类有机物。广泛存在于植物（树
干、棉花、麻类植物、竹秆、草秆、甘蔗渣）中。木材中 纤维素的含量为40~50%，棉花几乎是纯的纤维素。 • 植物细胞壁的主要成分，对植物体起支持和保护作用。 • 工业中应用最多的纤维素。 • 地球上每年经光合作用生产的植物为5000亿吨，可利用的 植物资源约为2000亿吨。资源丰富、价格低廉具有生物降 解性和可再生性，是理想的绿色环保材料。
3
Natural Polymers: Cellulose
2. 某些海洋生物的外膜中也含有动物纤维素 海洋中生长的若干绿藻，某些海洋低等动物体。
3. 某些细菌具有合成纤维素的能力 细菌纤维素具有很多优异的特性，21世纪理想的生物材 料。
4. 由化学方法人工合成 酶催化，葡萄糖衍生物的开环聚合
4
Natural Polymers: Cellulose
Natural Polymers: Cellulose
纤维素的结构
葡萄糖简介
• 分子式为 C6H12O6，是具有正碳链、含有5个羟基和1个 醛基的己醛糖。 • 广泛存在于自然界中，如葡萄、蜂蜜、水果及植物的种 子、根、茎、叶、花中，及动物体内。它除以游离形式存 在外，还常以苷*的形式存在。
*苷：糖分子中苷羟基上的氢被其他基团取代后的产物叫 做苷或配糖体。
• 两个简单的糖分子聚合起来， 形成了一个双糖 disaccharide 分子， 如麦芽糖、蔗糖、乳糖。
• 若干个简单的糖分子聚合起來， 就形成了多糖 polysaccharide分子， 如淀粉、纤维素等。
Vocabulary
Natural Polymers: Cellulose
纤维素的分子结构
• 分子式为(C6H10O5)n，是由许多葡萄糖分子通过β-1,4-糖 苷键连接而成的多糖。含1500~5000个葡萄糖单元或更多， 分子量在250,00 ~1,000,000或更高。
• 纤维素的自然水解产物是纤维二糖。纤维二糖是β-1,4-苷， 这说明在纤维素中的葡萄糖单元是通过β-1,4-糖苷键连接。
• 纤维素难水解，一般需在浓酸或稀酸中在加热条件下进 行。在水解过程中可以得到纤维四糖、纤维三糖、纤维 二糖，最终水解产物是葡萄糖。
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Natural Polymers: Cellulose
7
Natural Polymers: Cellulose
葡萄糖的合成反应
6CO2+6H2O
日光 叶绿素
C6H12O6+6O2
葡萄糖的分子结构式
-glucose
8
糖
saccharide
多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和某些衍生物的总称
• 单个糖分子称为单糖 monosaccharide，如葡萄糖、 果糖。
• Pure cellulose has large crystalline regions due to hydrogen bonds between the -OH groups on different chains.
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Natural Polymers: Cellulose
• 纤维素呈绳索状长链排列，大分子为无支链直线分子，分子链之 间以及分子内存在着大量的氢键，使大分子牢固地结合着，在结构 上具有高度的规整性（间同立构）。 •氢键的大量存在，使得本应亲水的纤维素分子链难熔、难溶。
Natural Polymers: Cellulose
第二章 纤维素 Cellulose
Natural Polymers: Cellulose
本章主要内容
• 纤维素的来源与分类 • 纤维素的分子结构、聚集态结构、结晶结构与液晶结构 • 纤维素的溶解与再生 • 功能纤维素的制备与应用（薄膜化、微粉化、球状化） • 纤维素衍生物 • 纤维素共混改性材料 • 纤维素复合材料 • 新型纤维素 — 细菌纤维素 • 木质纤维素的生物质能利用（乙醇、生物柴油、氢）
Natural Polymers: Cellulose
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Natural Polymers: Cellulose
• Cellulose is a natural polymer and the chief component of wood and plant fibers.
• Cellulose is a polysaccharide composed of individual anhydroglucose (AHG) units, which are held together by ß-1,4 glycoside linkages that make cellulose a long, rigid molecule. The number of AHG in the polymer chain is defined as the degree of polymerization (DP).
• 纤维素的来源和种类不同，其分子量相差很大。 • 纤维素的分子量和分子量分布明显影响材料的力学性能
（强度、模量、耐屈挠度等）、纤维素溶液性质（溶解 度、黏度、流变性等）以及材料的降解、老化及各种化 学反应。
5
部分纤维素和纤维素衍生物的Mw和DP值
原料 天然纤维素
分子量 Mw(104) 60~150
基本结构单元 (葡萄糖 glucose)
重复结构单元 (纤维二糖 cellobiose)
纤维素 cellulose 11
Natural Polymers: Cellulose
直链淀粉
纤维素
12
纤维素的聚集态结构
Cellulose chains form crystalline structures called microfibrils. A microfibril with a diameter of 20~30 nm contains about 2000 molecules.
棉短绒化学品 8~50
木浆
8~34
细菌纤维素
30~120
人造丝
5.7~7.3
玻璃纸
4.5~5.7
商业纤维素硝酸酯 1.6~8ຫໍສະໝຸດ Baidu.5
商业纤维素乙酸酯 2.8~5.8
聚合度DP 3500~10000 500~3000 500~2100 2000~8000 350~450 280~350 100~3500 175~360
Natural Polymers: Cellulose
纤维素的来源与分类
1. 植物纤维素 • 自然界中存在量最大的一类有机物。广泛存在于植物（树
干、棉花、麻类植物、竹秆、草秆、甘蔗渣）中。木材中 纤维素的含量为40~50%，棉花几乎是纯的纤维素。 • 植物细胞壁的主要成分，对植物体起支持和保护作用。 • 工业中应用最多的纤维素。 • 地球上每年经光合作用生产的植物为5000亿吨，可利用的 植物资源约为2000亿吨。资源丰富、价格低廉具有生物降 解性和可再生性，是理想的绿色环保材料。
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Natural Polymers: Cellulose
2. 某些海洋生物的外膜中也含有动物纤维素 海洋中生长的若干绿藻，某些海洋低等动物体。
3. 某些细菌具有合成纤维素的能力 细菌纤维素具有很多优异的特性，21世纪理想的生物材 料。
4. 由化学方法人工合成 酶催化，葡萄糖衍生物的开环聚合
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Natural Polymers: Cellulose
Natural Polymers: Cellulose
纤维素的结构
葡萄糖简介
• 分子式为 C6H12O6，是具有正碳链、含有5个羟基和1个 醛基的己醛糖。 • 广泛存在于自然界中，如葡萄、蜂蜜、水果及植物的种 子、根、茎、叶、花中，及动物体内。它除以游离形式存 在外，还常以苷*的形式存在。
*苷：糖分子中苷羟基上的氢被其他基团取代后的产物叫 做苷或配糖体。
• 两个简单的糖分子聚合起来， 形成了一个双糖 disaccharide 分子， 如麦芽糖、蔗糖、乳糖。
• 若干个简单的糖分子聚合起來， 就形成了多糖 polysaccharide分子， 如淀粉、纤维素等。
Vocabulary
Natural Polymers: Cellulose
纤维素的分子结构
• 分子式为(C6H10O5)n，是由许多葡萄糖分子通过β-1,4-糖 苷键连接而成的多糖。含1500~5000个葡萄糖单元或更多， 分子量在250,00 ~1,000,000或更高。
• 纤维素的自然水解产物是纤维二糖。纤维二糖是β-1,4-苷， 这说明在纤维素中的葡萄糖单元是通过β-1,4-糖苷键连接。
• 纤维素难水解，一般需在浓酸或稀酸中在加热条件下进 行。在水解过程中可以得到纤维四糖、纤维三糖、纤维 二糖，最终水解产物是葡萄糖。
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Natural Polymers: Cellulose
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Natural Polymers: Cellulose
葡萄糖的合成反应
6CO2+6H2O
日光 叶绿素
C6H12O6+6O2
葡萄糖的分子结构式
-glucose
8
糖
saccharide
多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和某些衍生物的总称
• 单个糖分子称为单糖 monosaccharide，如葡萄糖、 果糖。
• Pure cellulose has large crystalline regions due to hydrogen bonds between the -OH groups on different chains.
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Natural Polymers: Cellulose
• 纤维素呈绳索状长链排列，大分子为无支链直线分子，分子链之 间以及分子内存在着大量的氢键，使大分子牢固地结合着，在结构 上具有高度的规整性（间同立构）。 •氢键的大量存在，使得本应亲水的纤维素分子链难熔、难溶。
Natural Polymers: Cellulose
第二章 纤维素 Cellulose
Natural Polymers: Cellulose
本章主要内容
• 纤维素的来源与分类 • 纤维素的分子结构、聚集态结构、结晶结构与液晶结构 • 纤维素的溶解与再生 • 功能纤维素的制备与应用（薄膜化、微粉化、球状化） • 纤维素衍生物 • 纤维素共混改性材料 • 纤维素复合材料 • 新型纤维素 — 细菌纤维素 • 木质纤维素的生物质能利用（乙醇、生物柴油、氢）
Natural Polymers: Cellulose
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Natural Polymers: Cellulose
• Cellulose is a natural polymer and the chief component of wood and plant fibers.
• Cellulose is a polysaccharide composed of individual anhydroglucose (AHG) units, which are held together by ß-1,4 glycoside linkages that make cellulose a long, rigid molecule. The number of AHG in the polymer chain is defined as the degree of polymerization (DP).
• 纤维素的来源和种类不同，其分子量相差很大。 • 纤维素的分子量和分子量分布明显影响材料的力学性能
（强度、模量、耐屈挠度等）、纤维素溶液性质（溶解 度、黏度、流变性等）以及材料的降解、老化及各种化 学反应。
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部分纤维素和纤维素衍生物的Mw和DP值
原料 天然纤维素
分子量 Mw(104) 60~150
基本结构单元 (葡萄糖 glucose)
重复结构单元 (纤维二糖 cellobiose)
纤维素 cellulose 11
Natural Polymers: Cellulose
直链淀粉
纤维素
12
纤维素的聚集态结构
Cellulose chains form crystalline structures called microfibrils. A microfibril with a diameter of 20~30 nm contains about 2000 molecules.
棉短绒化学品 8~50
木浆
8~34
细菌纤维素
30~120
人造丝
5.7~7.3
玻璃纸
4.5~5.7
商业纤维素硝酸酯 1.6~8ຫໍສະໝຸດ Baidu.5
商业纤维素乙酸酯 2.8~5.8
聚合度DP 3500~10000 500~3000 500~2100 2000~8000 350~450 280~350 100~3500 175~360