纤维素衍生物在环保及医药方面的应用

纤维素衍生物在环保和医药方面的应用
【摘要】：以天然纤维素为基体进行改性可以得到活性更强的改性纤维素。

且纤维素是是符合可持续发展要求的可再生资源。

本文从纤维素的结构对其作出简介，并对纤维素和其衍生物在环境保护和医学药用方面的应用。

【关键词】：纤维素衍生物环境保护医学药用应用
Cellulose derivatives in terms of environmental protection and medicine
【Abstract】：Natural cellulose for matrix modified can get active stronger modified cellulose. And cellulose is accord with the sustainable develop ment requirements of the renewable resources. This article from the cellu lose structure is made to its profile, and the cellulose and its derivatives in environmental protection and medical medicinal applications.
【Key words】：cellulose derivative environmental protection Medicine medicinal application
【引言】：纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的 50% 以上，每年通过光合作用可合成约1.5×1012t 。

纤维素及其衍生物在纺织、轻工、化工、国防、石油、医药、能源、生物技术和环境保护等部门应用十分广泛。

近年来随着石油、煤炭储量的下降以及石油价格的飞速增长和各国对环境污染问题的
日益关注和重视，纤维素这种可持续发展的再生资源的应用愈来愈受到重视。

纤维素可广泛替代石油化工原料，对缓解世界能源与环境问题有着重大意义。

1纤维素
1.1纤维素简介
纤维素(C6H10O5)n是D-葡萄糖以β-1,4- 糖苷键组成的大分子多糖分子量50000～2500000，相当于300～15000个葡萄糖基，在结晶区内相邻的葡萄糖环相互倒置，糖环中的氢原子和羟基分布在糖环平面的两侧。

由于天然纤维素的聚集态结构特点及其分子间和分子内存在着很多氢键和较高的结晶度，因此不能在水和一般有机、无机溶剂中溶解，也缺乏热可塑性，并且耐化学腐蚀性、强度都比较差，这对其成型、加工和应用都极为不利，致使其应用受到许多限制。

纤维素分子中的每个葡萄糖基环上均有 3 个羟基，可以发生氧化、酯化、醚化、接枝共聚等反应，经过结构改造后可以引入大量其它结构的基团，从而改进纤维素性质。

天然纤维素改性是纤维素利用的有效途径。

能否充分利用这些丰富的可再生原料，是解决未来能源问题和环境问题的一个关键因素。

因此，世界各国都很重视纤维素的研究与开发。

常温下，纤维素既不溶于水，又不溶于一般的有机溶剂，如酒精、乙醚、丙酮、苯等。

它也不溶于稀碱溶液中。

因此，在常温下，它是比较稳定的，这是因为纤维素分子之间存在氢键。

在
一定条件下，纤维素与水发生反应。

反应时氧桥断裂，同时水分子加入，纤维素由长链分子变成短链分子，直至氧桥全部断裂，变成葡萄糖。

其纤维素本身在生理方面有较多的利用方式，如有助消化、治疗糖尿病、预防和治疗冠心病、降压作用、抗癌作用、减肥治疗肥胖症、治疗便秘、清除外源有害物质等。

1.2纤维素的结构
纤维素是由 D-吡喃型葡萄糖基彼此以1,4-β-苷键连接而成的一种均一的高分子，在结晶区内相邻的葡萄糖环相互倒置，糖环中的氢原子和羟基分布在糖环平面的两侧[2]。

其结构可用霍沃思式表示如图1所示。

纤维素结构图
2纤维素改性及其衍生物
纤维素由于其多样的用途，现今人们对其的利用与开发已经达到一个相当多样的地步；由不同的利用目的而对其作出不同的处理。

所以纤维素的衍生物有多种多样，其性能也有或多或少的差异。

2.1纤维素脂类
纤维素醋类衍生物分为纤维素无机酸醋和纤维素有机酸醋,后者又分为单醋和混合醋。

国内外广泛应用的纤维素醋类衍生物有纤维素硝酸醋、醋酸醋、醋酸丙酸醋和醋酸丁酸醋,此外还在开发纤维素硫酸醋、磷酸醋、丙酸醋、丁酸醋、纤维素氨基甲酸醋、纤维素醋酸山梨酸醋、纤维素醋酸酞酸醋等的用途。

纤维素酯化反应是指在酸催化作用下，纤维素分子链中的羟基与酸、酸酐、酰卤等发生酯化反应。

纤维素无机酸酯是指纤维素分子链中的羟基与无机酸，如硝酸、硫酸、磷酸等，进行酯化反应的生成物。

其中以纤维素硝酸酯（也称硝化纤维）应用最广，它是由纤维素经不同配比的浓硝酸和硫酸的混
合酸硝化制得，公式如下。

纤维素硝酸酯应用于制造火药、爆胶、电影胶片和硝基清漆等。

纤维素有机酸酯是指纤维素分子链中的羟基与有机酸、酸酐或酰卤反应的生成物，主要有纤维素的甲酸酯、乙酸酯、丙酸酯、丁酸酯、乙酸丁酸酯、高级脂肪酸酯、芳香酸酯和二元酸酯等。

2.2纤维素接枝共聚物
利用纤维素的羟基作为接枝点，将聚合物连接到纤维素骨架上，称为纤维素的接枝反应。

依据接枝聚合物的结构、性质、相对分子质量的不同，可赋予纤维素多种性能和用途。

改性后的纤维素可用于复合材料、生物降解塑料、离子交换树脂、吸水树脂、絮凝剂以及螯合纤维等方面。

目前常用的纤维素接枝改性的方法主要包括自由基聚合、离子型聚合、开环聚合、原子转移自由基聚合等。

改性纤维素虽然比纤维素有了较为明显的优点，但其相对分子质量增加不多，从而使其强度、粘度等性质受到了一定的限制。

而改性纤维素的接枝共聚是对纤维素进行改性的另一种重要方法，此种方法是在保留纤维纱固有的优点不被破坏的同时赋予其新的性能。

其聚合的方式有自由基聚合、离子型聚合、开环聚合、原子转移自由基聚合等方式。

2.3纤维素醚类
纤维素醚是以天然纤维素（浆）为基本原料，经过碱化、醚化反应的生成产物。

图 2所示纤维素醚的生产工艺，已有几十年的历史。

图2
此外，羟乙基甲基纤维素、乙基羟乙基纤维素、羟丁基甲基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素、羧甲基羟丁基纤维素、甲基羧甲基纤维素、乙基甲基纤维素、羟丙基羟丁基纤维素、羟乙基羟甲基纤维素、羧甲基羟甲基纤维素、羧甲基羟丙基纤维素、羧甲基乙基纤维素等都属于混合醚，它们的改性机理也基本相同。

纤维素醚类各种改性产品广泛应用于制药业，包括羧甲基纤维素钠、甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素等。

Narita 等在40 ℃下用23% 的NaOH溶液处理4 mm×4 mm 纸片，碱处理过的纤维素放入压力反应容器内，抽真空，然后加入甲基氯和环氧丙烷反应，三者质量比为 2 ∶4 ∶1 ，得到取代度为1.70 、20 ℃下2%的水溶液透光度为90.0% 的羟丙基纤维素，类似方法可得到取代度1.40 ～1.95 、透光度为90.0% ～98.8% 的产品。

Berglund 等[29]先用加入乙基氯的NaOH 溶液处理纤维素，65 ～90 ℃，3～15 bar ，然后加入甲基氯，此法可高效率地得到取代度不同的水溶性甲基纤维素醚，而且反应压力低。

烷基烯酮二聚体的分散体溶解在水中，喷到不同取代度和平均分子量的羧甲基纤维素上，同时搅拌，80 ℃下干燥至含水量8%以下，获得的改性羧甲基纤维素水分散性提高。

目前开发的部分纤维素醚的改性原理及应用
3在环保方面的开发与应用
3.1在污水处理方面的利用
改性纤维素多用于吸附废水中的重金属离子，达到去除 富集
回收的目的 改性纤维素吸附剂吸附 分离和提取废水中的重金属离
子与一般的重金属处理方法相比，具有吸附量大 吸附速度快成本低
操作简单 不产生二次污染等优点 巫拱生等利用甲基丙烯酸甲脂与
交联玉米淀粉的接枝或接枝共聚物研究了其对相关 、 等金 属离子的吸附效果，结果良好，连红芳等利用预处理后的棉纤
维接枝环氧氯丙烷合成纤维素醚，最后用纤维素醚接枝乙二胺合成乙
二胺螯合棉纤维用于对 Cu(Ⅱ) 及Cd (Ⅱ) 的静态吸附，结果表明乙二胺螯合棉纤维对金属离子有较好的吸附效果。

谭龙华等利用研制的TBP ( 磷酸三丁酯) 纤维棉螯，研究了其对Cr (Ⅵ) 和 Au(Ⅲ) 的吸附，吸附速度快，吸附能力强吸附完全，选择性高，应用于岩矿样品类复杂物料中金的分离富集及测定效果令人满意。

王格慧等以棉花为原料，制得氨基棉纤维，将所合成的环氧基长链季铵盐接枝到棉纤维上，制备同时具有杀菌吸附金属离子双功能基的棉纤维，其杀菌吸附能力强，并可多次重复利用。

Anirudhan TS 等利用N ，N’- 亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂和过氧化苯甲酰作为诱导剂将纤维素和甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝共聚合成了一种新型
阴离子交换纤维，被应用于批处理过程中As(V) 的研究。

Ye Tian等利用醋酸纤维素与聚甲基丙烯酸进行接枝改性，进行重金属离子的吸附研究，结果表明，此纤维对，和Cd 离子具有很好的吸附效果，尤其对具有很高的吸附选择性。

3.2在空气净化方面的应用
在空气净化领域，长期以来，空气净化装置及各种形式的呼吸性防毒面具多采用活性碳颗粒或纤维作为吸附过滤材料虽然活性碳具有适用范围广的特点，但由于其吸附过程为物理行为，因此不适用于在高温高湿度条件下使用同时，其对一些极性气体分子的吸附往往是在浸渍了各种化学催化剂后完成的，因此再生性很差，通常属于一次性不可再生材料与此相比，天然纤维改性离子交换剂是以可逆化学反应方式完成对各种极性分子的分离富集过程而且，它可以
制备成适当的织物形状，使其可以在一个体积很小的操作单元中提供相当大的过滤面积，使其具有极好的渗透稳定性，对空气流动阻力低的特点。

因此，可将其以填充交换柱或 ( 非) 织造布的形式应用于空气净化装置或防毒面具和口罩中吴政等利用强碱性离子交换纤维来净化混合气体取得了较好效果。

周林等利用弱酸性
阳离子交换纤维来净化 HCl和等酸碱气体，吸附效率达到121% ，完全穿透时纤维的平均交换容量为9.11mmol/g。

张志斌等利用乙二胺制的的棉纤维作为吸附剂能有效吸附烟气中，其饱和硫容可达］离子交换纤维还能吸附HCl、、、、等多种有害气体和
粉尘，也可用于开发车间工人个体防护的劳保用品和空气净化装置等。

4在医药中的开发与应用
天然纤维素可发生氧化、酯化、醚化等反应而得到各种纤维素醚、酯衍生物，医药上广泛用于增稠赋形、缓释、控释、成膜等目的。

医药行业中微晶纤维素(MCC)主要用作两个方面，一是利用它在水中强力搅拌下易于形成凝胶的特性，用于制备膏状或悬浮状类药物；二是利用其成型作用，用于医药压片的赋型剂。

醋酸纤维素可作为对乙酰氨基酚、茶碱等的包衣材料，它溶于丙酮-乙醇混合液中，喷雾包衣，调节包衣材料的组成，可取得不同的释药速度。

脂肪族混合纤维素酯、芳香族混合纤维素酯在肠溶性包衣、憎水性母体和半透膜这些控制送药体中起到了关键的作用。

甲基纤维素(MC)是纤维素的甲基醚，是应用广泛的药剂辅料，口服安全、无毒，在肠道内不被吸收，可作为片剂的黏合剂，并具有改善崩解及溶出的作用，用于液体药剂的助悬、增稠、乳剂稳定及低黏度水溶液的薄膜包衣材料；乙基纤维素是纤维素的乙基醚，在药剂中有多种用途，可用作片剂黏合剂、薄膜包衣材料，亦可用作骨架材料制备多种类型的骨架缓释片，用作混合材料膜制备包衣缓释制剂、缓释微丸，用作包囊辅料制备缓释微囊，还可作为载体材料广泛用于制备固体分散体。

国外通用30%的EC水分散体进行薄膜包衣；羟丙基纤维素水溶液包衣效果比MC好，但包衣时易发黏不易控制，可加入少量滑石粉改善；羟丙甲纤维素(HPMC)是一种非离子型纤维混合醚，具有乳化、增稠、助悬、增黏、黏合、胶凝和成膜等特性，可分别作为：黏合剂、崩解剂、缓(控)释剂、包衣成膜剂等。

在药剂中具有广泛的用途，特别适用于作为缓、控释制剂的辅料。

HPMC已被列入G RAS(被普遍接受为安全的材料)，欧洲接受其为食品添加剂，并列入FDA非活性成分指南中(用于眼用制剂、口服胶囊剂、混悬剂、糖浆剂、片剂、外用和阴道用药制剂)。

在临床试验中，研究者们发现HPMC 降低胆固醇的百分率在低胆固醇水平的患者中要比高胆固醇水平的患者中更高；除HPMC，HPC外，还有羟乙基纤维素，羟丁甲基氧化纤维素是纤维素衍生物的一种，医用可作为吸收止血纱布。

它的另一大潜在用途是：由于在纤维素葡萄糖基环中引入了羧基这一活性基团，它可用作纤维素进一步改性的中间产物，尤其是选择性氧化所得氧化纤维素，利用高分子化学反应，其分子中的醛基可以方便
地转变为其它官能团，来获得具有新功能和新用途的纤维素衍生物。

例如，将二醛纤维素进一步氧化得二羧酸纤维素，二羧酸纤维素作为生物医用高分子材料具有优良的水溶性和抗凝血性，可用于血液透析、血浆分离及人工肾等，还可以用作贵重金属提取分离的鳌合剂。

此外，微晶纤维素以及改性的微晶纤维素具有吸附蛋白质的功能。

5发展与展望
每年植物都会产生许多的纤维素，但很多都没有被很好地利用到而被浪费掉，如直接焚烧等不仅浪费了材料还对环境造成了很大的污染。

我国是一个农业大国，如何更好的利用纤维素也是一个很大的问题。

由于纤维素原料丰富、耐酸碱腐蚀、成本较低等优势，改性纤维素技术及其应用越来越受到重视。

随着一次能源的消耗，化纤制品也离绿色化学的概念日行渐远，因此，以可再生天然纤维素为主体的改性纤维素的开发利用也符合可持续发展与环境友好的目标。

改性纤维素目前较多应用于传统环保与医药领域，但是投入实际工程应用的并不多。

因此，纤维素改性技术的应用前景广阔，但在具体领域的实际应用尚需进一步深入。

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