纤维素

纤维素的制备综述
摘要：纤维素（cellulose）是一种重要的多糖，它是植物细胞支撑物质的材
料,是自然界最为丰富的生物资源，是人类研究最早、资源最丰富的一种天然高
分子，与人类关系十分密切。纤维素主要是来自于植物，也是高等植物中最主要
的结构材料，是植物细胞壁的主要成分。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。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。还有报告称宇宙空间也存在纤维素。中国最早认识到纤维素的重要功
能并发明了造纸术，对人类文化起到了强大的推动作用。

一、纤维素的基本介绍
1、纤维素的结构
纤维素的结构确定为β-D-葡萄糖单元经β-（1→4）苷键连接而成的直链多
聚体，其结构中没有分支。纤维素的化学式：C6H10O5 化学结构的实验分子式为
（C6H10O5）n 早在20世纪20年代，就证明了纤维素由纯的脱水D-葡萄糖的重
复单元所组成，也已证明重复单元是纤维二糖。纤维素中碳、氢、氧三种元素的
比例是：碳含量为44.44％，氢含量为6.17％，氧含量为49.39％。一般认为纤维
素分子约由8000～12000个左右的葡萄糖残基所构成。

O
O
O

O

O
O

O
O

O

β－（1→4）苷键

O
OH
HO
HO
OH

OH

β-D-葡萄糖

纤维素分子的部分结构（碳上所连羟基和氢省略）
2、纤维素的物化性质
名称 物理性质 化学性质
纤维素 1、相对分子量很大，故还原性和变旋现象不显著，所以多糖没有还原性和变旋性。 1、纤维素本身含有极性羟基、糖醛酸基等基团， 使纤维素纤维在水中表面带负电。因此，当纤维素纤维在水中往往引起一些正电荷由于热运动的结果在离纤维表面由近而远有一浓度分布。 2、纤维素能溶于Schwitzer试剂或浓硫酸。 2、纤维素的酸水解：纤
维素大分子中的1,4-β-
苷键是一种缩醛键，对
酸特别敏感，在适当的
氢离子浓度、温度和时
间作用下，苷键断裂

3、水可使纤维素发生有限溶胀[1]，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。 3、纤维素的碱性降解：
碱性水解：纤维素的配
糖键在一般情况下对碱
是比较稳定的，但在高
温条件下，纤维素也会
受到碱性水解。与酸性
水解一样，碱性水解使
纤维素的配糖键部分断
裂。
4、纤维素的溶解性，纤维素做为一种高分子化合物，特点就是分子量大，内聚力也较大，在体系中运动也比较困难，扩散能力差，它不能及时在溶剂中分散的产物。 4、纤维素的酯化和醚
化：成纤维素大分子的
每个葡萄糖基中含有三
个醇羟基，从而使纤维
素有可能发生各种酯
化、醚化反应，通过这
些反应能够生成许多有
价值的纤维素衍生物。
3、纤维素的具体分类
（1）多聚合纤维素：多聚合纤维素具有良好的生物相容性，是一种理想的
防粘连材料。它可杜绝或减少由于粘连引起起的术后并发症，降低手术死亡率和
病残率。
（2）木质素纤维：木质素纤维是天然木材经过化学处理得到的有机纤维，
外观为棉絮状，呈白色或灰白色。通过筛选、分裂、高温处理、漂白、化学处理、
中和、筛分成不同长度和粗细度的纤维以适应不同应用材料的需要．由于处理温
度高达250℃以上，在通常条件下是化学上非常稳定的物质，不为一般的溶剂、
酸、碱腐蚀，具有无毒、无味、无污染、无放射性的优良品质，不影响环境，对
人体无害，属绿色环保产品，这是其它矿物质素纤维所不具备的。纤维微观结构
是带状弯曲的，凹凸不平的，多孔的，交叉处是扁平的，有良好的韧性、分散性
和
（3）建筑级纤维素醚：按取代基的种类，纤维素醚可分为单醚（如甲基纤
维素）和混合醚（如羟丙基甲基纤维素）。按可溶解性不同，可分为水溶性（如
羟乙基纤维素）和有机溶剂溶解性（如乙基纤维素）等，干混砂浆主要用水溶性
纤维素，水溶性纤维素又分为速溶型和经过表面处理的延迟溶解型。
（4）甲基纤维素（MC）：其分子式[C6H7O2(OH)3-h(OCH3)n\]
x

制备方法：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。
（5）羟丙基甲基纤维素（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。
（6）羟乙基纤维素（HEC）：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。
（7）羧甲基纤维素（CMC）：分子式[C6H7O2(OH)2OCH2COONa\]n
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。

二、纤维素的制备
方法一：纤维素是世界上蕴藏量最丰富的天然高分子化合物，生产原料来源
于木材、棉花、棉短绒、麦草、稻草、芦苇、麻、桑皮、楮皮和甘蔗渣等。我国
由于森林资源不足，纤维素的原料有70%来源于非木材资源。我国针叶材、阔叶
材的纤维素平均含量约43-45%；草类茎秆的纤维素平均含量在40%左右。纤维
素的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
称为亚硫酸盐法和碱法。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。再进一步除去半纤维素，就可用作
纤维素衍生物的原料。
方法二：用纤维植物原料与无机酸捣成浆状，制成α-纤维素，再经处理使纤
维素作部分解聚，然后再除去非结晶部分并提纯而得。
方法三：将选好的工业木浆板疏解，然后送入已加1%～10%的盐酸(用量为
5%～10%)的反应釜进行升温水解，温度为90～100℃，水解时间0.5～2h，反应
结束后经冷却送人中和槽，用液碱调至中性，过滤后滤饼在80～100℃下干燥，
最后经粉碎得产品。
方法四：由木浆或棉花浆制成的纤维素。经漂白处理和机械分散后精制而成
三、纤维素的应用
1、食品添加剂:食品工业，细菌纤维素可以作为增稠剂、结合剂、成型剂和
分散剂，或者作为纤维食品，在日本细菌纤维素被添加到饮料中，具有减肥保健
之功效；
2、声音振动膜[2]:细菌纤维素经碱和(或)氧化剂以及热压处理后，提高了杨
氏模数，用于制造具有高传播速度和高内耗(产生的声音清晰)的声音振动膜，目
前已经有一些相关产品投放市场(如日本SONY公司的部分音响制品)；
3、人造皮肤:用纯化的细菌纤维素生产人造皮肤，用于烧伤、烫伤等，在潮
湿条件下具有高的机械强度以及对气体和液体的高渗透性，优于常规皮肤代用品，
在巴西已实现商业化；
4、医药新材料:细菌纤维素还可以替代棉、麻等纺织原料或者作为医药新材
料，如纱布、绷带和药物载体，特别是利用对人体适应性好的特点，作为人工血
管的医疗材料；
5、其他精细化学品:高强度纸添加剂作为化妆品高吸水材料和功能性树脂、
哺乳动物细胞的培养载体、生物传感器、用于质量轻及强度高的建筑材料、特殊
性能的膜材料等.日本细菌纤维素年产值已超过2亿元人民币。
6、木材：木材不仅是造纸工业的主要原料，也是纤维素化学工业的重要资
源.我国是一个木材短缺的国家，根据2005年第六次全国森林资源清查的统计资
料，森林覆盖率18.2%，禾草类资源却非常丰富. 木材纤维分为针叶材纤维和阔
叶材纤维.前者平均纤维长度在2 mm以上，后者平均纤维长度在1.5 mm以下.
针叶材纤维主要来源于冷杉属、云杉属、松属、铁杉属、落叶松属等木材。阔叶
材纤维主要来源于杨属、桦木属、按属、锻属等。
7、工业：适用于干粉砂浆建材，内外墙耐水腻子粉（膏），粘结剂，填缝剂，
界面剂，水性涂料，自流平剂等新型建材等。

四、纤维素的发展
1、提高原材料的可及性，反应活性以及反应的均一性，从而减少反应时间，
提高产物的利用率和转化率；
2、从多相反应逐渐向拟均相反应过渡[3]，提高改性基团分布的均一性，从而
提高产物的综合性；
3、向优化生产工艺方向发展，达到节约能源、降低成本和零污染的目的；
4、从间歇生产到连续化生产的转化，提高生产效率。

五、纤维素的最新进展
纤维素是地球上最丰富的可再生资源，而且是绿色的、环境友好化工原材
料。随着石油资源的日益枯竭，研究和开发以天然纤维素为原料的新精细化工产
品将是21世纪可持续发展化学工程研究领域的重要课题之一尽管到目前为止，
人们对纤维素的研究比较全面、彻底。
下列课题将是纤维素化学家们将来研究的重点和难点:
1、进一步研究纤维素超分子结构，寻找其不同结构本质原因，例如生物合
成、氢键以及纤维素分子自组装性。
2、寻找纤维素的新工业级原料，例如国外正在研究的能源植物等。
3、寻找可以完全溶解纤维素并且不降解的绿色溶剂。
4、控制和优化细菌纤维素的合成条件。
5、寻找植物合成纤维素的机制。
6、进一步研究人工合成纤维素的其他途径和化学合成条件，解决室内无需
光合作用即可合成纤维素的难题。
7、进一步高效地分离出纤维素纳米级原纤，达到节省能源、减少污染、提
高效率的目的。
8、从分子水平上研究控制合成纤维素衍生物、再生纤维素以及纤维素晶体
的物理化学结构，研究它们的自组装机理，从而获得特殊性能的新型功能精细化
工产品。
9、开拓纤维素在新技术、新材料和新能源中的新应用，如液晶、色谱分离、
绿色涂料、高效再生纤维素膜等。

参考文献
[1] 鲍文毅.徐晨.宋飞.纤维素/壳聚糖共混透明膜的制备及阻隔抗菌性能研究[J]高分子学