常用纤维素的分类和应用

纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子，是取之不尽用之不竭的，人类最宝贵的天然可再生资源。

纤维素化学与工业始于一百六十多年前，是高分子化学诞生及发展时期的主要研究对象，纤维素及其衍生物的研究成果为高分子物理及化学学科的创立、发展和丰富作出了重大贡献。

纤维素（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。

纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。

棉花的纤维素含量接近100%，为天然的最纯纤维素来源。

一般木材中，纤维素占40～50%，还有10～30%的半纤维素和20～30%的木质素。

维素是植物细胞壁的主要结构成分，通常与半纤维素、果胶和木质素结合在一起，其结合方式和程度对植物源食品的质地影响很大。

而植物在成熟和后熟时质地的变化则有果胶物质发生变化引起的。

人体消化道内不存在纤维素酶，纤维素是一种重要的膳食纤维。是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖。

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，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。

纤维素不溶于水和乙醇、乙醚等有机溶剂，能溶于铜氨Cu(NH3）4（OH）2溶液和铜乙二胺[NH2CH2CH2NH2]Cu（OH）2溶液等。

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。

水可使纤维素发生有限溶胀，某些酸、碱和盐的水溶液可渗入纤维结晶区，产生无限溶胀，使纤维素溶解。

纤维素加热到约150℃时不发生显著变化 ，超过这温度会由于脱水而逐渐焦化。

纤维素与较浓的无机酸起水解作用生成葡萄糖等，与较浓的苛性碱溶液作用生成碱纤维素，与强氧化剂作用生成氧化纤维素。

纤维素柔顺性很差，是刚性的，因为纤维素分子有极性，分子链之间相互作用力很强；

纤维素中的六元吡喃环结构致使内旋转困难，分子内和分子间都能形成氢键特别是分子内氢键致使糖苷键不能旋转从而使其刚性大大增加。

改性天然聚合物是由天然物质经化学改性而得的，常见的品种有：甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素等。

下面具体介绍一下几种常用纤维素的性质和应用。

纤维素结构式

甲基纤维素（MC）

甲基纤维素（MC）分子式是：

[C6H7O2(OH)3-h(OCH3)n\]x

制作过程是将精制棉经碱处理后，以氯化甲烷作为醚化剂，经过一系列反应而制成纤维素醚。一般取代度为1.6~2.0，取代度不同溶解性也有不同。属于非离子型纤维素醚。

甲基纤维素可溶于冷水，热水溶解会遇到困难，其水溶液在pH=3~12范围内非常稳定。

与淀粉、胍尔胶等以及许多表面活性剂相容性较好。当温度达到凝胶化温度时，会出现凝胶现象。

甲基纤维素的保水性取决于其添加量、粘度、颗粒细度及溶解速度。

一般添加量大，细度小，粘度大，则保水率高。其中添加量对保水率影响最大，粘度的高低与保水率的高低不成正比关系。溶解速度主要取决于纤维素颗粒表面改性程度和颗粒细度。

在以上几种纤维素醚中，甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素保水率较高。

羧甲基纤维素（CMC）

羧甲基纤维素又称羧甲基纤维素钠，俗称纤维素、cmc等，属于阴离子型线性聚合物，是一种纤维素羧酸钠盐，是可再生取之不尽用之不竭的化工原料。

主要用于洗涤剂工业、食品工业和油田钻井液，化妆品中用量只占约1%。

由天然纤维（棉、等）经过碱处理后，用一氯醋酸钠作为醚化剂，经过一系列反应处理而制成离子型纤维素醚。

其取代度一般为0.4~1.4，其性能受取代度影响较大。

CMC有极好的结合能力，其水溶液存在良好的悬浮能力，但不存在真正的塑变值。

CMC溶解时，实际上发生解聚。溶解过程中粘度开始上升，通过最高点，然后下降至稳定。产生的黏度与解聚作用有关。

解聚的程度与配方中不良溶剂（水）的量有密切关系。在含有不良溶剂体系中，例如含有甘油和水的牙膏，CMC不会完全解聚，将会达到一个平衡点。

在给定水的浓度情况下，亲水性较强高取代的CMC比低取代的CMC更容易解聚。

羟乙基纤维素（HEC）

HEC是由精制棉经碱处理后，在丙酮的存在下，用环氧乙烷作醚化剂进行反应而制成。其取代度一般为1.5~2.0。具有较强的亲水性，易于吸潮。

羟乙基纤维素可溶于冷水中，热水溶解较为困难。其溶液在高温下稳定，不具有凝胶性。

对一般酸碱都具有稳定性，碱能加快其溶解，并对粘度略有提高，其在水中分散性比甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素略差。

羟丙基甲基纤维素（HPMC）

HPMC分子式为：

\[C6H7O2(OH)3-m-n(OCH3)m,OCH2CH(OH)CH3\]n\]x

羟丙基甲基纤维素是产量、用量都在迅速增加的纤维素品种。

是由精制棉经碱化处理后，用环氧丙烷和氯甲烷作为醚化剂，通过一系列反应而制成的非离子型纤维素混合醚。取代度一般为1.2~2.0。

其性质受甲氧基含量和羟丙基含量的比例不同，而有差别。

羟丙基甲基纤维素易溶于冷水，热水溶解会遇到困难。但它在热水中的凝胶化温度要明显高于甲基纤维素。在冷水中的溶解情况，较甲基纤维素也有大的改善。

羟丙基甲基纤维素的粘度与其分子量的大小有关，分子量大则粘度高。温度同样会影响其粘度，温度升高，粘度下降。但其粘度高温度的影响比甲基纤维素低。其溶液在室温下储存是稳定的。

羟丙基甲基纤维素的保水性取决于其添加量、粘度等，其相同添量下的保水率高于甲基纤维素。

羟丙基甲基纤维素对酸、碱具有稳定性，其水溶液在pH=2~12范围内非常稳定。苛性钠和石灰水，对其性能也没有太大影响，但碱能加快其溶解速度，并对粘度销有提高。

羟丙基甲基纤维素对一般盐类具有稳定性，但盐溶液浓度高时，羟丙基甲基纤维素溶液粘度有增高的倾向。

羟丙基甲基纤维素可与水溶性高分子化合物混用而成为均匀、粘度更高的溶液。如聚乙烯醇、淀粉醚、植物胶等。

羟丙基甲基纤维素比甲基纤维素具有更好的抗酶性，其溶液酶降解的可能性低于甲基纤维素。