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1、纤维素衍生物在环保和医药方面的应用第 1 页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 te
2、rms of environmental protection and medicine【Abstract】：Natural cellulose for matrix modified can get active stronger modified cellulose. And cellulose is accord with the sustainable development requirements of the renewable resources. This article from the cellulose structure is made to its profile,
3、 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 1.51012t 。纤 维 素 及
4、 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 、纤维素衍生物在环保和医药方面的应用第 2 页煤 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
5、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 -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
6、 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
7、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 常纤维素衍生物在环保和医药方面的应用第 3 页温 下 ， 它 是 比 较 稳 定 的 ， 这 是 因 为 纤 维 素 分 子 之
8、 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
9、喃型葡萄糖基彼此以 1,4-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 纤维素脂类纤维素衍生物在环保和医药方面的应用第 4 页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,
10、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
11、、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、絮凝剂以纤维素衍生物在环保和医药方面的应用第 5 页及螯合纤维等方面。 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
12、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、羟乙基羟甲基纤维纤维素衍生物在环保和医药方面的应用第 6 页素、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
13、。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 mm4 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 ，315 bar ，然后加入甲基氯，
14、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。纤维素衍生物在环保和医药方面的应用第 7 页目前开发的部分纤维素醚的改性原理及应用名称 改性基理 应用前景举例甲基纤维素乙基纤维素羟乙基纤维素羧甲基纤维素羟丙基甲基纤维素温敏药物控释材料食品包装膜生物可降解膜可降解膜液晶材料 缓控释制剂吸水树脂日化产品环境敏感材料DNA 分离高吸水性树脂食品工业、医药工业复合膜药物制剂PVC 工业水泥改性3 在环保方面的开发与应用3.1 在污
15、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纤维素衍生物在环保和医药方面的应用第 8 页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() 及 Cd () 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
16、TBP ( 磷酸三丁酯) 纤维棉螯，研究了其对 Cr () 和 Au() 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，
