纤维素醚基础知识解析

2. 可再生天然多糖资源


通过天然作用或人工活动能再生更新， 而为人类反复利用的自然资源叫可再生 资源，又称为更新自然资源。 在强调发展人类和谐社会的今天， 合理利用天然资源中天然高分子材料不 仅是我国社会与经济发展的需要，更是 人类生存发展的必然要求。
3. 天然纤维素是人类最重要的 可再生资源
纤维素结构与性能是一个典型的矛盾统一体

从分子结构上讲，纤维素上含有大量的羟基，是亲水性的基团， 按理应当溶解在水中，或溶解在大部分有机溶剂中。但事实上 纤维素不仅不溶解在水中，也不溶解于酸性、碱性水溶液，甚 至不溶解于大部分有机溶剂，只能够溶解在特殊的溶剂体系。 其主要原因就是一方面纤维素上大量的羟基导致形成密度极高 的分子内氢键、分子间氢键；另外纤维素是葡萄糖环基组成的 长链大分子，属于半刚性的高分子链，分子链之间堆切排列， 形成了结晶结构，致使几乎所有种类的纤维素都表现出较差的 溶解性和化学反应性能。但也正是这种结构，才能使得富含纤 维素的木材既有强度又耐老化，可顶天立地绿化家园，也能够 作为立木顶千斤，作为屋梁百年罩风雨，堪称是大自然给人类 的理想复合材料。也正是这种结构特点使得棉纤维素才能够经 受住风吹雨打，承接阳光，不溶不腐，成熟后以洁白的形态供 人们纺丝织衣，挡风遮雨，造福人类。
被醚化取代基部分或全部取代。纤维素醚的取代程 度用取代度（DS）和摩尔取代度（MS）表示。

取代度(Ｄegree of Substitution)表示平均每
个失水葡萄糖单元上被反应试剂取代的羟基数目。
由于纤维素分子链中每个失水葡萄糖单元上有 3 个
羟基，所以取代度只能小于或等于3。
摩尔取代度(Molar
②非离子型醚，如MC，HEC，HPMC等。
③ 离 子 型 和 非 离 子 型 混 合 醚 ， 如 CMHEC 、 CMHPC等。
3.按溶解性能分为： ① 水 溶 性 纤 维 素 醚 ， 如 CMC 、 MC ， HEC、HEMC、HPC、HPMC等。 ②有机溶性纤维素醚，如EC、CEC等。
CMC简介

水媒法是早期生产ＣＭＣ一种工艺方法，它是将碱 纤维素与醚化剂在存在游离碱和水的条件下进行反应， 碱化和醚化过程中，体系不存在醇等有机溶剂作反应介 质的方法。水媒法设备比较简单，投资少、成本低，可 制取中、低档产品用于洗涤剂、纺织上浆、粘结剂和石 油工业等，经过精心的工艺设计，还可制出适用于牙膏 的高档ＣＭＣ产品，所以至今仍被部分工厂采用。
取代基的分布
取代基的分布由两个独立的部分组成： 其一为：取代基沿纤维素分子链的取代分布。这一分 布的均一性影响到：(a)醚的溶解度；(b)对电解质、温度、
添加物的定性；(c)溶液的切变性质；(d)溶液的流变性质。
其二为：取代基在每个葡萄糖单元上的取代分布，即 在 3个羟基上的取代分布。这一分布的均一性影响到（ a） 醚的溶解度；（b）溶液的稳定性。
O HO
O
-
CH3
H OH CH3
一般性质
溶解性


纤维素醚在碱水溶液中，水或有机溶剂中的溶解性， 取决于醚化基团的性质及其取代度DS值的大小。 DS 值低于 0.1 的物质一般是不溶的，仅在一些物理和技 术参数上与纤维素不同，如拉伸强度，表面势能，水 吸收容量，或染色性 。 产品的 DS 范围达到 0.2~0.5 ，则开始溶于碱水溶液， 例如2%~8%NaOH。 DS 增加，可溶于水中。对于阴离子型，要得到水溶 解性， DS 值要在 0.4 以上，对于非离子型则 DS 值在 1 以上。
天然多糖高分子材料主要有纤维素、淀粉、
壳聚糖(甲壳素)三大类型。概括其特点有： 自然界储量量大 (仅纤维素每年数亿万吨) ； 年复一年可再生； 可生物降解； 无毒，生物相容性好； 利用其自然形成的化学结构可进行多种化学 衍生，其产物应用范围包括日用化工、医药、 环保、纺织、聚合物加工、军工和航空航天 众多领域。
纤维素醚基础知识
1. 利用可再生资源是国家发展战略需求
化工原料通常可划分为:
1950年前为乙炔时代; 1950～1980年为石油天然气时代; 1980～2000年为合成气时代; 2000年以后为生物和可再生资源时代。
采用天然可再生资源或生物原料，是国家发
展战略需求。


十届全国人大常委会第十三次会议首次审议了《中 华人民共和国可再生能源法（草案）》; 我国每年未回收利用的可再生资源达300-350亿元; 以高分子领域为例, 在20世纪80年代是高分子时代， 大多数是人工合成高分子原料是石油和煤炭。据估 计目前世界石油总的储量才800多亿m3，每年要消 耗30多亿m3，煤炭也不会超过百年。 美国《植物/农作物为基础的可再生资源2020年设想》 技术指南。 可以讲，开发新资源是全球性发展战略要求
Degree of Substitution)，用MS表示。
OH H3C O HO O H OH
对纤维素羟烷基衍生物，当一个羟烷基被引入纤 维素分子链时，就形成一个附加的羟基，这个羟基本身 又可被羟烷基化。所以，羟烷基纤维素醚的取代程度由 MS值进行量化，即摩尔取代。它表示加在每个脱水葡 萄糖单元上的醚化剂反应物的平均摩尔数。MS的大小 与侧链形成的程度有关。 理论上， MS 的值可以是无限的。对纤维素烷基 和羧烷基酰基衍生物，DS与MS是相同的；对于羟烷基 纤维素醚，通常 MS 大于 DS， MS大小视侧链形成的程 度而定。
取代基的分布
OH OH HO O HO OH OH O O HO O O HO OH O HO O OH O OH OH O
CH3
CMC结构式
OH H3C O HO O H OH
H3C O HO OCH2COONa O H OH
OR OR OR OR O O OR OR O OR OH H
纤维素CMC结构示意图 O CH （R= -OCH2COONa 或 -OH ） O
3
(n-2)/2
R = .
C
NH
NHC O( CH2CH2 O )n R`
.
H
, .
NO2
R R HO R R R O O R O O R
R O R O R OH R H R O
(n-2)/2
R =
.
OH
, .
ONO2
,
.
N3
R
R
羟丙基甲基纤维素的生成过程
Ha+ N OH 2C
CH2 O
CH3
H3C
威廉姆森反应
Cell OH
+R
X
+ NaOH
OH-
Cell OR + H2O
+ NaX
(1)
碱催化烷氧基化反应
Cell OH
+
R CH CH2 O
Cell O
CH2
CH OH
R
(2)
迈克尔加成反应
Cell OH
+
CH2
CH Y
OH-
Cell O CH2 CH2 Y
(3)
分类
1.按取代基的类型 ： 纤维素醚可分为单一醚和混合醚。


另一方面，由于大量的、高密度的分子内、 分子间氢键；长链半刚性的高分子链间堆砌 排列，形成了“复瓦式”结晶结构。使得纤 维素不仅不溶于水，也不溶于酸性、碱性水 溶液，甚至不溶于大部分有机溶剂，只能够 溶在特殊的溶剂体系。 但也正是这种结构导致纤维素在醚化、 酯化等化学衍生过程是在非均相体系中进行， 具有 许多不确定性和复杂性。常年以来困扰 纤维素醚行业的主要问题的根源就在于此。

羧甲基纤维素CMC(PAC)生产流程简图
平均聚合度和聚合度分布


平均聚合度(100-14000) 聚合度分布 由于来源的不同，纤维素分子中葡萄糖 残基数目，即聚合度由100～14000不 等。


羧甲基纤维素结构图 DS的概念 DS对溶解性的影响
基本概念
纤维素醚是纤维素衍Байду номын сангаас物，该种衍生物是羟基
4. 天然纤维素种类
纤维素化学结构
元素组成：含碳44.44%，氢6.17%，氧 49.39%。
纤维素大分子的基环是脱水葡萄糖。
基环分子式：C6H10O5，基环分子量：162
基环
OH H3C O HO O H OH
纤维素大分子链
OH OH HO O HO OH OH O O HO O O HO
OCH2COONa
+ H
ClCH2COONa
H3C
O HO
O
+
NaCl
H
OH
OH
ClCH2COOH
+
NaOH
ClCH2COONa
+
H2O
ClCH2COONa
+ +
NaOH
HOCH2COONa
+
NaCl
ClCH2COONa
H2 O
HOCH2COOH
+
NaCl
ＣＭＣ的生产方法，从工艺上分： 水媒法和溶媒法

溶媒法以有机溶剂为反应介质，反应过程传热、传质迅速、 均匀、主反应加快，副反应减少，醚化剂利用率（醚效）可较 水媒法提高10--20％，反应稳定性、均匀性提高，使产品取代 度、取代均匀性和使用性能大大提高，是整个纤维素醚工业发 展的方向。

溶媒法与传统水媒法比较可省去纤维素碱浸渍、压榨、粉 碎、老化等工序，生产周期缩短，但溶媒法使用大量有机溶剂， 物耗提高，并需增加有机溶剂的分离、回收装臵，成本较高。
我国纤维素醚类的研究与生产起步较晚。 20 世 纪50年代末开发了离子型羧甲基纤维素。60年代中期 以来，陆续生产了乙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基 甲基纤维素和羟丙基纤维素等非离子型纤维素醚。