纤维素

纤维素

学号：97 姓名：邱艺娟

摘要：纤维素（cellulose）是天然高分子化合物，由多个β-D-吡喃葡萄糖基彼此以1，4-β苷键连接而成的线型高分子，其化学式为C6H10O5，化学结构的实验分子式为（C6H10O5）n （n为聚合度），由质量分数分别为%、%、%的碳、氢、氧3种元素组成。纤维素是一多羟基葡萄糖聚合物，经过特定的物理或化学改性后，具有不同的功能特性，可以粉状、片状、膜、纤维以及溶液等不同形式出现，因此用纤维素开发的功能材料极具灵活性及应用的广泛性。关键字：性质结构；来源；功能化方法；功能材料；应用；展望

一、纤维素的性质结构

纤维素的化学结构是由D一吡喃葡萄糖环经β-1，4-糖苷键，以C1椅式构象联结而组成的线形高分子直链多糖。由于纤维素大分子上存在着很多强反应性的-OH，在其分子内部，分子之间以及纤维素与水分子之间均可以形成氢键。而氢键使纤维素具有结晶性、吸水性、自组装性、化学活性以及形成原纤结构等多种特殊性能。

纤维素的结构可以分为3层：单分子层，纤维素单分子聚合物；超分子层，自组装结晶的纤维素晶体；原纤结构层，纤维素晶体与无定形纤维素分子组成的基元继续白组装而形成更大的纤维结构及各种微孔等。

二、纤维素来源

纤维素一般是从是棉花、木材、禾草类，麻类韧皮等植物中得来的。除了植物以外，细菌和动物也可以产生纤维素。例如，木醋杆菌能够合成细菌纤维素；核囊纲的一些物种可以合成动物纤维。现如今，人工合成纤维素的科研方面进展突飞猛进，人工合成纤维素的聚合度可以达到为20-50，并且具有较高纯度，较高结晶度，及不含有木质素等杂质的优点。三、纤维素功能化方法

纤维素是一种直链多糖，分子结构中大量羟基的存在，使其在分子链之间和分子链内部

形成了广泛的氢键，这种羟基覆盖结构影响了其反应活性。因此天然纤维素的吸附(如吸水、吸油、吸重金属等)能力并不很强，而且吸附容量小，选择性低，必须通过改性才能成为性能良好的吸附性材料。

纤维素的改性方法可以分为物理方法和化学方法。使纤维素的物理形态发生变化(如薄膜化、球状化、微粉化等)赋予纤维素新的性能称为物理方法。通过分子设计改变部分化学结构，使其成为具有特殊物理化学性能的纤维素高分子材料的方法称为化学方法。

改变纤维素官能团的方法主要有：①使原有的官能团发生改变生成新的官能团，如纤维素的氧化、水解等；②或者在原来官能团的基础上引入新的官能团，如接枝、酯化等。目前人们对纤维素的化学改性已经进行了大量的研究，并且制造出了性能和用途各异的纤维素改性材料。

（一）物理方法

物理方法是针对化学方法而言，即并不添加新的基团，导致其结构或其衍生物结构单元发生改变，只是在物理形态上的改变，例如，薄膜化，微粉化，球状化等都为物理方法。

薄膜化，通过薄膜化，可以将纤维素及其衍生物制成多种膜，广泛应用于超滤、反渗透、气体分离等膜分离技术中。微粉化，通过纤维素结晶度的改变，形成了微纤化或微晶化纤维结构，其粉状或针状的外形，较大的比表面积及优异的性能，被大量用于食品、医药、陶瓷、涂料、建材及日用品等行业。球状化，球状纤维具有较大的比表面积，较强的亲水性和通透性，较低的非特异性，可用作吸附剂、催化剂、氧化还原剂及离子交换剂等，也可用作废水的处理，从其中回收贵重金属。

（二）化学方法

化学方法是利用分子(结构和官能团)设计，赋予其结构功能团特性的方法。纤维素的化学方法一般分为降解和羟基衍生化两大类。降解反应包括酸碱降解、氧化降解、生物降解、光反应降解、机械加工降解及离子辐射降解等，羟基衍生化反应包括酯化反应、醚化反应、交联反应、亲核取代反应及接枝共聚反应等。

纤维素的化学方法是其改性与制成功能材料的重要方法，类似于有机化学与高分子材料

化学的反应方法，而其多糖反应过程又具有独特之处。

（三）表面化学修饰

高分子材料的性能与其表面性质具有很大关联，可通过对材料表面加以改性处理来增加其新的性能。修饰方法有很多种，如火焰、涂饰、酸蚀、电晕放电、光辉放电等氧化、等离子处理法，以及紫外、高能量辐射、表面活性剂、表面化学反应等引起的接枝共聚法。现如今，通过科学手段对纤维素表面进行化学改性与修饰，可以不断研究与开发出具有特殊性能的新型高分子材料，并为生活生产的各个领域所应用。

四、纤维素功能材料及应用

（一）微晶纤维素

微晶纤维素( Microcrystalline cellulose, MCC) 是天然纤维素经稀酸水解至极限聚合度( LOOP) 的可自由流动的极细微的短棒状或粉末状多孔状颗粒,颜色为白色或近白色, 无臭、无味, 颗粒大小一般在20~ 80 Lm, 极限聚合度( LODP) 在15~ 375; 不具纤维性而流动性极强。不溶于水、稀酸、有机溶剂和油脂, 在稀碱溶液中部分溶解、润涨, 在羧甲基化、乙酰化、酯化过程中具有较高的反应性能。由于具有较低聚合度和较大的比表面积等特殊性质,常作为崩解剂、稳定乳化剂等被广泛用于医药卫生、食品饮料、轻化工等国民经济部门。。（二）医用纤维丝

由于纤维素具有可降解性、相容性、无毒性等优良性能，其在医药材料领域中应用广泛。20世纪6O年代，纤维素便已经应用于药物当中，其磷酸酯类药物可吸附结石病人过量的钙离子。一些医药品因其选择性、专一性、持久性上的缺点，影响治疗效果。如抗癌药物，其小分子不仅进入癌细胞，又可与正常细胞结合。罗马尼亚Simionescu等采用偶合法，将纤维素衍生物制成一类具有生物活性的纤维素，与组织目标亲和性较好，可作为载体改善药物的选择性、专一性，同时，载体和药物又是以共价键相互结合，也改善了其持久性。因此，将纤维素用于制备专一长效的生物医药材料，其发展前景十分广阔。

（三）高性能纤维材料

粘胶纤维的生产发展已有近100 年的历史，因它具有适宜的强度和伸长吸湿透气性好，不易产生静电等优点，已成为纺织工业的重要原材料。但是，粘胶纤维的生产大都采用铜氨法或粘胶法，其致命弱点是工艺流程长，工作环境恶劣，环境污染非常严重。因此，开发出对生态环境无污染的新型纺纤材料引起研究者们的高度重视。目前，以纤维素为原料，用无毒、无污染的有机溶剂纺制的短纤维已取得了较大突破，该类纤维刚刚投入市场，便形成巨大的冲击波，被科技界和产业界称之为“21世纪环保型纤维”。

目前市场上主要有英国CourtauIks公司推出的TenceI 纤维和奥地Lenzing 公司生产的LyoceII 纤维。其中以LyoceII 纤维尤为突出，LyoceII 是新的纤维素纤维的通称，其生产工艺是一种不经化学反应而生产纤维素纤维的过程，它利用N-甲基吗啉（NMMO）中的杂环胺氧化物能溶解纤维素的特性，将纤维素浆粕溶解，得到粘度适宜的纺丝液，然后经过干湿纺丝技术得到纤维素纤维，同时经过凝固浴洗除纤维素中的溶剂，且凝固浴中的NMMO 可以被回收利用。LyoceII 纤维是高结晶度的纤维，用显微镜观察，它具有规则的纵面，表面光滑，截面呈圆形或椭圆形，具有原纤化结构。其分子量比普通粘胶纤维高，与其它纤维素纤维比较，呈现出较高的干态强度，干湿强度比大于85%，这一特征与其它纤维素纤维形成鲜明的对照。

LyoceII 纤维具有舒适、吸湿、热稳定性好、手感丰满等特点。不仅拥有人造纤维丝绸般质感，柔软舒适、透气性好，而且具有合成纤维的实用性，防皱不变形、强度高，是极好的纺织材料，主要用于制作高档衬衣、套装，也可用于休闲服、牛仔服等服装面料；还可利用其原纤化倾向开发其它新产品，如目前市场上较为流行的桃皮绒、仿麂皮等。LyoceII 纤维还可用于纺织以外的其它工业，比如用作医用抹布、绷扎物；用作卫生用品的吸收垫片、盖布；此外可作上胶底物，皮革底物，过滤物，衬里，电池分隔片等，特种纸方面可制茶叶袋，烟、空气、油及饮料用滤材，花色纸，油印蜡纸，可洗涤用纸及用作玻璃纤维纸的粘合料等等。其特种用途的产品也正在开发之中，象涂层面料的基布织物、造纸添加