1。2。1 纤维素的结构

目前大家普遍接受的纤维素结构（图 1-2）是由 Staudinger[8]在 1922 年提出的，他也因为 在纤维素化学和大分子化学方面的成就获得了 1953 年的诺贝尔化学奖。纤维素是由多个葡萄 糖通过β-1,4-糖苷键连接而成的线性的大分子聚合物，即一个葡萄糖环 C4 平伏键上的羟基与 相邻糖环 C1 的碳原子相连[9]。纤维素中脱水葡萄糖单元（AGU）的重复度 n 称为纤维素的聚 合度（DP）。木材纤维的 DP 值一般在 300-1700 之间，可以从微晶纤维素中再生出 DP 值在 250-500 之间的纤维，而像棉花之类的植物纤维素的 DP 值可以达到 800-10000 之间。经过处 理造成链部分断裂而生成的粉末状纤维素取代物的 DP 值一般在 150-300 之间。纤维素的聚合 度影响着它的溶解性，聚合度为 2-6 的纤维低聚物可以在水里完全溶解，聚合度为 7-13 的纤

本科毕业设计说明书 第 3 页 维低聚物可以在热水中部分溶解，聚合度为 20-30 的纤维就会具有典型的纤维素特征。纤维 素通过酸或酶处理后，糖苷键断裂可以完全地降解为葡萄糖。

纤维素结构中除了两端的还原性与非还原性羟基基团外，每个葡萄糖单元上都有三个游 离的羟基，这些羟基容易与分子内的含氧基团之间形成分子内氢键，与相邻纤维分子上的含 氧形成分子间氢键。氢键的作用比范德华力强很多，如果纤维素的聚合度非常大，而羟基又 都形成了氢键，那么分子间的氢键作用将会非常剧大。它们对纤维素链的形态和反应性有着 深远的影响，分子内氢键使纤维素链硬化，增强了链的线性完整性和刚性，阻碍了葡萄糖单 元的自由转动。分子间氢键不仅拉近了纤维素分子间的距离[10]，而且它们螺旋交错使纤维素 形成致密的晶体结构[11]。而正是因为这种晶体结构，纤维素的性质变得十分稳定，常温下难 溶于水，也不溶于一般有机溶剂，如乙醇、石油醚和丙酮等。

纤维素在超分子结构下可分为非结晶区和结晶区，非结晶区在 X 射线衍射技术测试时显 示为无定形态，无定形区上的羟基基团处于游离状态，分子链排列不整齐较松弛，但取向与 纤维主轴平行。结晶区的 X-射线衍射图很清晰，分子排列整齐有规则，相互之间的结合力特 别大。结晶区内的纤维素链被氢键紧密地包裹着，导致羟基和内部晶体很难与外界接触。在 水解反应中结晶区的存在严重阻碍了纤维素的有效水解转化，所以降低纤维素的结晶度提高 纤维素水解率的重要方法。

纤维素按晶型可分为以下五种：I，II，III，IV，X。纤维素 I 是天然存在的，又可细分为 纤维 Iα、Iβ，藻类和细菌中纤维属于纤维素 Iα，而棉花当中的纤维素属于纤维素 Iβ，同一植物 样品中也可以同时存在这两种纤维素。纤维素 II 是通过在溶液中再生或丝光化过程得到的晶 体变体，例如将天然纤维在浓碱性氢氧化钠溶液中溶解，然后除去溶胀剂后可得到纤维素 II。 纤维素 III 是通过纤维素 I 或 II 用液氨或者胺（甲胺、乙胺、乙二胺）处理，再将其蒸发掉得 到的变体。纤维素 IV 可由纤维素 III 在甘油中 206°C 处理制备。纤维素 X 可由纤维素 I 或 II

在 38。0%～40。3%浓盐酸中 20℃处理 2～4。5 小时，用水再生得到。从纤维素自然界存在的主 要形式和工业化的角度考虑，对纤维素结晶学的研究主要集中在纤维素 Iβ和纤维素 II 上。

因为纤维素的分布很广泛，所以我们有多种方式得到它，目前主要有以下几种。第一种 是直接从草本植物中获得，包括像棉花、桑麻之类的纤维农作物，还有像稻杆、麦秆这样的 农业废弃物，他们的主要成分都是纤维素。目前国家严令禁止秸秆直接焚烧行为，这既保护 了环境，也间接加快了秸秆资源化的研究步伐。第二种是从一些木材中分离纤维素，可是木 材中的纤维素、木质素和半纤维素相互交织在一起，要想得到纯净的纤维素需要对其做大量 的化学处理、分离和纯化。而且像乔木类的树木，因为其硬度较大，多作为建筑结构类材料， 所以不便于工业上的生产。除了上述的植物以外，很多藻类、细菌和真菌体内也会含有大量 纤维素。而这些纤维素存在着特殊的超分子结构，可以被用来当做模型化合物应用于天然纤 维素结构、反应活性以及结晶度的研究中，另外它还可以促进新材料的开发。文献综述