关于纤维素介绍

[拼音]：xianweisu

[外文]：cellulose

世界上蕴藏量最丰富的天然高分子化合物，绝大部分是由绿色植物通过光合作用合成的，某些细菌和真菌也能合成纤维素。纤维素在植物体中构成细胞壁网络，在网络之间填充着半纤维素和木素素，共同担负着支撑躯干的作用。

法国化学家A.帕扬是最早研究纤维素的科学家之一。他在 1837 ～1842年研究植物细胞壁成分时发现，纤维素是一种由葡萄糖组成的物质。帕扬将它命名为cellu-lose，由法语cellule（该词来源于拉丁文cellula）变化而成。这一名词为使用拉丁字母文字的国家所沿用，中文名为纤维素。

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20世纪20年代，H.施陶丁格提出高分子化合物概念之后，在测定纤维素铜铵溶液粘度的基础上，首次确定纤维素属于高分子化合物。

可用霍沃思式表示：

式中n为聚合度。从上式可见，纤维素分子链除两个端基外，每个葡萄糖基都有三个羟基，在分子链末端上多了一个仲羟基，在首端糖基上则多一个苷羟基。苷羟基不稳定，其氢原子容易转移，引起氧桥的开裂而与氧结合，使C1转变为醛基，显还原性，故苷羟基常称为隐性醛基。

纤维素是由不等长度、即不同聚合度的分子链组成的高聚物，这种性质称为多分散性。因此，实际测定的天然纤维素的聚合度是平均聚合度(约10000左右)。聚合度和多分散性对纤维素的化学反应和产品的物理力学性能有重要影响。

由于纤维素是线形分子，链很长，具有为数众多的羟基，除分子内糖基上羟基的氢原子可与相邻糖基上的某些羟基或氧环中的氧原子形成氢键而赋予分子链以刚性外，当分子链相互靠拢，它们的羟基上的氢原子与氧原子相距小于3埃时，也可形成氢键。虽然葡萄糖苷键的键能为80～90千卡／摩尔，而氢键只有5～8千卡／摩尔，但纤维素分子链上众多的羟基，在一定条件下形成大量氢键，这些氢键对纤维素的物理、化学性质有重大影响。当纤维素在一定空间范围内，其分子之间形成的氢键在数量上多到能引起分子有序排列，出现特征 X射线图时，就是纤维素的结晶区，否则，为非结晶区。非晶区与结晶区之间并无明显界限，而是连续过渡的。

由于纤维素羟基的极性，水可进入非晶区，发生结晶区间的有限溶胀。某些酸、碱和盐的水溶液在一定条件下，可渗入结晶区，产生无限溶胀，使纤维素溶解。溶胀和溶解对纤维素改性、衍生物制备和产品的加工成型都有重要意义。例如，纤维素在黄酸化和醚化反应前，必须进行碱处理，目的在于破坏氢键，释放出更多的羟基，有利于反应的进行。

碱金属氢氧化物的水溶液对纤维素物料溶胀作用的大小与其离子水化程度有关，离子半径愈小，水化程度愈大。 几种碱金属氢氧化物溶胀能力的顺序为 CsOH＜RbOH＜KOH＜NaOH＜LiOH。

某些盐类溶液对纤维素溶胀能力的顺序为: K+＜NH嬃＜Na+＜Ba2+＜Mg2+＜Ca2+＜Li+＜Zn2+；ClO婣＜SO娸＜NO婣＜Cl-＜Br-＜PO婯 ＜I-＜SCN-。某些盐类的热溶液可使纤维素溶解，如Ca(SCN)2、Al(SCN)3、AlCl3、ZnCl2、K2HgI4等的溶液。

最常用的纤维素溶剂是铜铵 Cu(NH3)4(OH)2溶液和铜乙二胺[NH2CH2CH2NH2]Cu(OH)2溶液，它们可用来测定纤维素的聚合度。铜铵纤维就是纤维素铜铵溶液经凝固再生纺制的。此外，镉、镍、钴、锌等金属的络合物和酒石酸铁钠溶液也可作纤维素的溶剂。近年来出现了一些非水纤维素溶剂体系，如二甲基亚砜中加入少量多聚甲醛或N2O4，二甲基甲酰胺中加入N2O4或NOCl等。用非水溶剂的纤维素浓溶液纺丝成型正在研究中。

在世界上森林资源丰富的国家，纤维素主要来源于木材；在中国，由于森林资源不足，主要来源于非木材的原料(约占70％)，其中包括棉花、棉短绒、麦草、稻草、芦苇、麻、桑皮、楮皮和甘蔗渣等。中国针叶材、阔叶材的纤维素平均含量约43％～45％；草类茎杆的纤维素平均含量在40％左右。

有实验室方法和工业方法二种，前者可制备尽可能保持原有状态的纯粹纤维素作为科学研究的试料；后者可制备纯度不同的纤维素，工业上叫做浆粕，用作造纸或纤维素衍生物的原料。

实验室制法是先用水、有机溶剂处理植物原料，再在缓和条件下用氯、亚氯酸盐、二氧化氯、过乙酸除去其中所含的木素，得到的残渣包括原料中的全部高聚糖，即纤维素和半纤维素，称为综纤维素；然后再在温和条件下，根据原料的主要化学组成，采用各种方法除去半纤维素，制得纯的纤维素。工业制法是用亚硫酸盐溶液或碱溶液蒸煮植物原料，主要是除去木素，分别称亚硫酸盐法和碱法。得到的物料称为亚硫酸盐浆和碱法浆，然后经过漂白进一步除去残留木素，所得漂白浆可用于造纸。如果作为制备纤维素衍生物的原料，还需要尽可能除去半纤维素。

参考书目

1. 陈国符、邬义明主编：《植物纤维化学》，轻工业出版社，北京，1980。
2. E.Sjstrm，Wood Chemistry， Academic Press， New York， 1981.

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