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纖維素（Cellulose）是由葡萄糖組成的大分子多糖，從結構上看它是由多個葡萄糖分子以β-1,4糖苷鍵連接組成的，其分子式為（C6H10O5)n。其不溶于水及一般有機溶劑。纖維素是一種白色、無味、無臭的固體，通常呈纖維狀或粒狀。纖維素的密度約為1.27-1.61 g/cm3，熔點在260-270℃。纖維素是地球上最古老而又最豐富的生物質資源之一，人類對纖維素材料的認識和利用已擁有超過2000年的歷史。纖維素是植物細胞壁的主要成分，是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，占植物界碳含量的50%以上。

纖維素可分為天然纖維素以及人工合成纖維素。天然纖維素的植物來源非常廣泛，包括棉花、麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等。人工合成纖維素的主要合成方法是生物法和化學合成法。

纖維素主要用于紡織材料、建筑材料、造紙材料、食品工業和醫學領域等。在紡織領域纖維素主要可以用于生產棉纖維、亞麻纖維、大麻纖維等。這些纖維素纖維具有良好的吸濕性、透氣性、保暖性和抗靜電性，被廣泛應用于紡織品和服裝的生產制造；在建筑領域，纖維素可以用于生產各種類型的建筑材料，如纖維板、纖維水泥等；纖維素在食品工業中被用來制備各種可降解的纖維素基薄膜；纖維素作為醫學材料的應用主要體現在生物可降解材料和藥物載體這兩個方面。同時纖維素有促進腸道蠕動，利于糞便排出等功能，它是一種重要的粗食纖維。

化學結構

纖維素是一種多糖，由葡萄糖組成，化學式為(C6H10O5)n。纖維素中的羥基（-OH）含有三個醇羥基，其中C6的羥基為伯羥基，C2和C3位上的羥基為仲羥基，這三個羥基可發生一系列的化學反應（如化、醚化反應等）。纖維素是由β-1,4糖苷連接的以脫水-D葡萄糖為單元構成的天然高分子，兩個相鄰的糖單元結構互成180°交錯。天然纖維素的聚合度一般為1000~20000，相對分子量為20000~2500000。纖維素鏈是定向的，具有不對稱的末端結構：一端為具有還原性的半縮醛結構，另一端為非還原性的羥基結構。因此，可通過在纖維素的羥基上進行化學反應以制備具有各種功能的纖維素衍生物。

纖維素是一種線性有機高分子化合物，由許多D-吡喃型葡萄糖基（脫水葡萄糖）以β-1,4-糖苷鍵結合而成，且每個葡萄糖基都可與相鄰的三個葡萄糖基結合，形成直鏈纖維素分子。同時每個葡萄糖基都有一個羥基位于分子鏈的側邊，這些羥基可以形成大量的氫鍵，而這些氫鍵限制了分子鏈的運動，纖維素分子鏈中的葡萄糖基之間也存在較強的相互作用，另外六元環結構導致內旋轉困難，分子有極性、分子鏈間相互作用強使得纖維素具有較高的剛性和穩定性。

纖維素具有高度結晶的結構，其晶型包括I型、II型、III型和IV型。其中I型是天然纖維素的晶型，其他晶型則需要通過特定的處理方法才能得到，纖維素的結晶結構使其具有較高的強度和耐久性。由于纖維素分子鏈的長度是不均勻的，存在不同的聚合度。因此，纖維素具有多分散性，其性質也因聚合度的不同而有所差異。

理化性質

物理性質

纖維素是一種白色、無味、無臭的固體，通常呈纖維狀或粒狀。纖維素的密度約為1.27-1.61 g/cm3。纖維素是一種不溶于水、稀酸、稀堿和一般有機溶劑的有機高分子化合物。然而，纖維素在一定條件下可以與某些有機溶劑（如銅氨溶液、尿素甲醛水溶液等）發生反應，生成可溶性的纖維素衍生物。此外，纖維素還具有較高的熱穩定性和耐化學腐蝕性。

纖維素及其衍生物具有吸濕性，其吸濕性與環境濕度有關。在某些條件下，纖維素衍生物的吸濕能力與纖維素相近。當纖維素無定形區的水分子排列有一定方向時，密度較高，此時的吸濕能力較強。纖維素具有較高的抗張強度和彈性模量，但伸長率較低。經過絲光處理后的纖維素，其結晶度、強度和柔軟性都會有所提高。纖維素的熔點和分解溫度較高，一般在270℃～300℃之間。纖維素的熱穩定性與其晶體結構有關，纖維素Ⅱ型晶具有更高的熱穩定性。

化學性質

纖維素中的羥基（羥基）含有三個醇羥基，其中C6的羥基為伯羥基，C2和C3位上的羥基為仲羥基，這三個羥基可發生一系列的化學反應（如酯化反應、醚化反應等）。

酯化反應

纖維素酯化反應是指纖維素分子與酯化劑反應，在纖維素分子中引入酯基，從而改變其性質。常見的纖維素酯化劑包括羧酸、酸酐、酰氯、醇等。在纖維素分子中，三個羥基在葡萄糖基中所處的位置不同，受鄰近取代基的影響和空間阻礙作用也各不相同。因此，在酯化反應中，各個羥基的反應活性也不同。一般來說，C6羥基的反應活性最高，C3羥基次之，C2羥基的反應活性最低。

在酸性條件下，纖維素能夠與羧酸、酸酐、氯等發生酯化反應，生成纖維素酯。常見的纖維素酯有硝化纖維素、纖維素醋酸酯、纖維素丙二酸酯等。

醚化反應

纖維素醚化反應是指纖維素分子與醚化劑反應，在纖維素分子中引入醚基，從而改變其性質。常見的纖維素醚化劑包括堿金屬鹽、有機磺酸、環氧化物等。與酯化反應類似，各個羥基的反應活性也不同，C6羥基的反應活性最高，C3羥基次之，C2羥基的反應活性最低。

在堿性條件下，纖維素能夠與堿金屬鹽發生醚化反應，生成纖維素醚。常見的纖維素醚有甲基纖維素、ec、羥乙基纖維素等。

水解反應

纖維素水解反應是將纖維素分解成小分子糖類的過程。在自然界中，有許多微生物和真菌能夠分泌纖維素酶，將纖維素分解成較小的糖類物質。而在工業上，通常采用酸催化或者堿催化的方式來實現纖維素水解反應。在纖維素水解過程中，酸催化法可以將纖維素與濃硫酸等酸性物質反應，使其產生裂解，生成纖維素糖，隨后進行中和和蒸發處理，得到纖維素糖液。

纖維素水解的產物稱為水解纖維素，它不是一種有固定組成的化合物，而是一種依水解程度不同而不同的混合物，纖維素完全水解即為葡萄糖。水解纖維素的化學結構與原纖維素相同，但它的聚合度小于原纖維素，因此，水解纖維素的機械強度大大低于原纖維素。

氧化反應

纖維素的氧化反應可以通過使用氧化劑，如氯氣、過氧化氫、高錳酸鉀等，來引入新的官能團，如羧基、醛基和酮基等，從而改變纖維素的結構特征，賦予其更多新的性能。氧化纖維素是一種不溶于水的纖維素衍生物。它可以通過氧化劑和各種金屬催化劑的作用由纖維素生產。

分類

纖維素是世界上最豐富的天然有機化合物，占植物界碳含量的50％以上。棉花的纖維素含量接近100％，為天然的最純纖維素來源。一般木材中，纖維素占40～50％，還有10～30％的半纖維素和20～30％的木質素。此外，麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等，都是纖維素的常見來源。

天然纖維素

纖維素是植物細胞壁的主要成分之一，在植物中，纖維素主要是通過葉綠素與水和二氧化碳進行光合作用合成的。天然纖維素的植物來源非常廣泛，包括棉花、麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等。根據植物來源，天然纖維素可分為棉纖維、木材纖維、草類纖維和韌皮纖維等。

棉纖維

棉纖維是純度最高的天然纖維素，它是在棉籽表皮上生長發育而成的纖維，其纖維素含量接近100%，是植物纖維中重要的纖維素來源。

木材纖維

在自然界中，木材是天然纖維素最主要的來源。木質纖維素除含有纖維素之外，還含有木質素和半纖維素。木材是以纖維素為基質、木質素為填充劑所組成的三維體型結構的復合體系。木材中的纖維素與半纖維素和木質素共存，半纖維素以氫鍵與纖維素分子連接，并纏繞纖維素，與木質素通過阿魏酸和對香豆酸相連。不同木材及植物不同部位的纖維素、木質素和半纖維素含量和化學組成均有差異。

草類纖維

草本科植物，例如禾本科和竹科等，其莖部富含大量纖維素。例如小麥秸稈、玉蜀黍屬秸稈和竹莖等。與木材相比，草類所含纖維素的纖維長度較短，非纖維細胞比率較高。同時，草類纖維中半纖維素的含量相對較高，木質素的含量相對較低。

韌皮纖維

典型的韌皮纖維包括亞麻、劍麻、桑皮、大麻、浙江絡麻、紅麻以及棉秸皮等。其中，各種麻類纖維的纖維素含量較高，因此是優質的紡織工業原料。而其他韌皮纖維則可用于造紙工業。麻類纖維具有出色的韌性，其斷裂伸長率可與玻璃纖維相媲美。

細菌纖維素

相對于植物纖維素，人們把由微生物合成的纖維素統稱為細菌纖維素，因為其具有高純度、高結晶度和有機高分子化合物量的特性。在自然界中，植物纖維素通常與其他物質共存，如木質素和半纖維素，因此提取高純度的植物纖維素存在一定困難，且會產生大量廢水，對環境造成污染，同時也增加了生產成本。而細菌纖維素的長徑比比植物纖維素更高，更有利于制備微小的纖維產品。

許多微生物都可以合成纖維素，其中常見的能夠合成細菌纖維素的微生物包括醋酸菌屬、土壤桿菌屬、根瘤菌屬、假單胞菌屬、產堿菌屬、氣桿菌屬、固氮菌屬、無色菌屬和八疊球菌屬等。細菌纖維素和植物纖維素在結構和化學組成上非常相似，但細菌纖維素具有更好的物理化學性能和力學性能，其楊氏模量高達1.5×1010Pa。

合成纖維素

除了植物細胞壁，微生物也能合成天然纖維素。科學研究的發展和進步使得人工合成纖維素取得了重大進展，主要的合成方法是生物法和化學合成法?；瘜W法是通過化學反應將纖維素從植物細胞壁中提取出來，然后進行純化和加工處理。生物法則是利用微生物或酶類將植物細胞壁中的纖維素分解成單糖，再進行純化和加工處理。

人工合成纖維素主要有兩種合成路線：酶催化和葡萄糖衍生物的開環聚合。人工合成纖維素的基本原理是利用纖維素的結構特點和化學性質，通過化學或生物的方法，將纖維素從植物細胞壁中提取出來，并進行純化和加工處理，最終得到高純度的纖維素。然而，由于技術的限制，人工合成纖維素的聚合度較低，通常只有幾十，分子量較低，尚不能達到自然界中高結晶度、高聚合度的纖維素織態結構，更無法滿足現代工業的需要。

多聚和纖維素

多聚合纖維素可以通過酸法、堿法、加氧劑以及生物法制備。其中酸法是將天然纖維素放入含硫酸、鹽酸或氯酸的溶液中，經過反應和脫色等處理，得到纖維素；堿法是將天然纖維素放入氫氧化鈉、氫氧化鉀等堿性溶液中，在高溫高壓的條件下水解纖維素所得的紙漿，經過脫水處理后制得纖維素；加氧劑制備是將天然纖維素放入氧氣氣氛中，在催化劑的促進下進行氧化處理，得到纖維素；生物法制備則是采用微生物或酵母菌等生物發酵過程，利用微生物將天然纖維素分解成單糖，再經過純化、脫色等后可得到纖維素。其可以用于紡織品、紙張制造、塑料制品以及制作生物醫學材料，如制作藥物載體、手術縫合線等。

木制纖維素

木質纖維素是一種由木材，尤其是軟木、松木、云杉等樹種制成的天然纖維。木質纖維素的制備首先需要將原木去皮，以減少生產過程中的污染物，然后將去皮后的原木進行磨碎，磨成直徑約為2-5毫米的小塊，并將小塊木料放入蒸煮鍋中，加入蒸汽進行蒸煮。蒸煮的目的是將木材中的木質素和半纖維素分離出來，形成可轉化的纖維素，再將蒸煮后的木塊加入堿液中進行處理，分離纖維素。堿液處理的目的是將木材中的木素、半纖維素以及一些細胞壁材料分離。最后將纖維素放入高壓反應釜中，在一定的溫度和壓力下進行反應。它是一種生物質材料，具有多孔性、高比表面積和良好的化學穩定性等性質。它具有優良的吸附性能，可以用于吸附和去除水中的有害物質。此外，木質纖維素還具有很好的生物可降解性，可以在自然環境中被微生物分解。

木質纖維素可以用于制作紡織品，如生物降解的塑料和人造纖維，也可以與其他材料混合使用，例如棉花、亞麻、絲綢等，使得纖維素紗線的性能更加優良。由于木質纖維素是一種生物質資源，可以用于生產生物質燃料、木炭和液體燃料。木質纖維素也可以用于生產生物降解的包裝材料。

纖維素醚

纖維素醚的合成需要將纖維素纖維在堿性溶液中加熱，然后使用醚化劑進行處理。在生產過程中，使用氯化甲烷作醚化劑生產MC，而生產HPMC除了使用氯化甲外，還使用環氧丙烯來獲取羥丙基取代基團。纖維素醚是白色或淡黃色的固體，通常為顆粒狀或粉狀。纖維素醚可以用作增稠劑、懸浮劑和乳化劑等，在建筑、醫藥、個人保健、石油、粘蚊劑、造紙和紡織印染等行業有著廣泛應用。

甲基纖維素

甲基纖維素可以通過堿化后的纖維素與氯代甲烷反應制得。具體的反應過程為將堿化的纖維素與氯代甲烷反應，生成甲基纖維素和氯化鈉等副產物。甲基纖維素沒有顯著的毒性和刺激性，具有優良的生物相容性和生物降解性。

甲基纖維素可以用于建筑業、醫藥行業、紡織業等領域。作為增稠劑、懸浮劑和乳化劑，甲基纖維素被廣泛應用于建筑業中，如混凝土、砂漿和涂料的生產。其也可以用作藥物載體，幫助藥物更好地滲透到組織中，提高藥物的療效。

羥乙基纖維素

羧乙基纖維素是一種非離子型可溶性纖維素醚類。合成羧乙基纖維素首先需要將堿性纖維素和環氧乙烷或2-氯乙醇進行醚化反應，生成羧乙基纖維素。它是一種白色或淡黃色，無味、無毒的纖維狀或粉狀固體。羧乙基纖維素的主要用途包括在石油開采中作為稠化劑、分散劑和穩定劑；在醫療食品行業中作為藥片的載體和藥物緩慢釋放的包衣材料等。

制備方法

用化學法將植物纖維原料與化學試劑（如硫酸、氫氧化鈉等）在高溫或高壓下反應，去除木質素等雜質，得到纖維素漿。再經過漂白、過濾等工序，最終得到純度較高的纖維素；或者通過生物法利用纖維素酶等生物酶將植物纖維原料分解為小分子纖維素，再經過分離、提純等工序，得到纖維素；也可以通過物理手段將植物纖維原料分離成纖維素和木質素，如浮選、研磨、篩選等。

纖維素主要來源于植物的莖、葉子和果實。麻纖維可以從麻類植物的莖中提取，棉花纖維可以從棉鈴中提取。這些植物纖維經過浸泡、軟化、梳理、干燥等過程進行提取和加工。最常用的天然纖維是棉花，其次是劍麻等長葉纖維和黃麻、亞麻、大麻以及苧麻等韌皮纖維。這些葉纖維和韌皮纖維是一種重要的非常規纖維來源。天然纖維的提取方法包括化學、物理和生物過程。例如，可以使用水脫膠或化學使用氫氧化鈉（NaOH）從絲蘭植物葉片中提取纖維。

合成纖維主要由提煉成單體的不可再生煤炭和石油制成，這些單體在一個稱為聚合的過程中結合在一起。最常見的合成纖維包括聚酯纖維、尼龍纖維、丙烯酸纖維和氨綸。合成纖維的合成包括幾個步驟，如聚合、紡絲、拉伸和熱定型，最后，纖維經過加工處理，如染色、紡紗、織造等，成為各種織物。

應用領域

全世界用于紡織造紙的纖維素，每年達800萬噸。此外，用分離純化的纖維素做原料，可以制造人造絲，賽璐玢以及硝酸酯、醋酸酯等酯類衍生物和甲基纖維素、乙基纖維素、羧甲基纖維素鈉等醚類衍生物，用于塑料、炸藥、電工及科研器材等方面。

醫學材料

纖維素作為醫學材料的應用主要體現在兩個方面：生物可降解材料和藥物載體。

由于纖維素具有較好的生物相容性和可降解性，因此纖維素可以被應用于醫學領域。例如，纖維素可以與其它生物材料結合，制造出具有特定形狀和性能的手術縫合線，以滿足手術的需要。此外，纖維素也可以用于制造藥物釋放系統，能夠控制藥物在體內的釋放速度和釋放量，從而達到更好的治療效果。

另一方面，纖維素也可以作為藥物載體，由于其能夠將藥物分子包裹在纖維素顆粒中，形成纖維素-藥物配位化合物，從而增加藥物的穩定性和生物利用度。例如，將抗癌藥物分子包裹在纖維素顆粒中，可以增加藥物在腫瘤部位的積累，減少藥物的毒副作用。同時纖維素還可以用于制造納米藥物載體，能夠將藥物分子精確地輸送到病變部位，從而提高藥物的療效。

紡織材料

纖維素在紡織領域是常用的紡織原材料之一，其可以用于生產各種類型的纖維素纖維，如棉纖維、亞麻纖維、大麻纖維等。這些纖維素纖維具有良好的吸濕性、透氣性、保暖性和抗靜電性，因此被廣泛應用于紡織品和服裝的生產制造。纖維素還可以用于生產各種紡織助劑和整理劑，如柔軟劑、抗皺劑、防水劑等，以提高紡織品的品質和性能。

建筑材料

在建筑領域，纖維素可以用于生產各種類型的建筑材料，如纖維板、纖維水泥等。纖維素纖維具有很好的防火、防水、隔音等性能，因此纖維素建筑材料可以廣泛應用于建筑領域的各個方面。

造紙材料

紙張的主要成分為纖維素，而除紙張、紙漿之外，纖維素衍生材料還在造紙工業中扮演著重要的角色，多種纖維素醚、細菌纖維素等都被廣泛應用于造紙行業作為各種造紙助劑（如紙張增強劑、表面施膠劑、乳化穩定劑、涂料保水劑及特殊紙質材料等）。

食品工業

纖維素可以被用來制備各種可降解的纖維素基薄膜，這些薄膜有望作為包裝材料應用于食品工業。例如，納米纖維素可以用來提高纖維素薄膜的力學性能，而使用不同比例的纖維素晶須可以制備出再生纖維素薄膜。隨著纖維素晶須的加入，纖維素納米復合膜的拉伸強度可以得到顯著提高。此外，纖維素具有無毒性和生物可降解性，因此作為食品包裝時具有安全、可降解的特性。另外，采用纖維素水凝膠作為基材可以制備出疏水性纖維素復合膜。通過疏水-親水界面相互作用，纖維素水凝膠的孔隙可以促進短毛狀12-羥基十八酸（HOA）晶體在其表面生長，從而獲得高疏水性。通過溶劑蒸發法可以控制結晶，使HOA沿親水性纖維素孔壁生長，最終制備出疏水性纖維素復合膜。這種纖維素復合膜具有很高的疏水性和生物降解性，未來可以作為新型的可生物降解包裝材料用于食品工業。

工程領域

纖維素材料在工程領域也有良好的應用前景。通過對天然木材進行改性，可以除去其中的木質素和半纖維素，制備出高強度的纖維素材料，作為結構材料用于工程領域。例如，采用兩步法對天然木材進行轉化處理，首先用氫氧化鈉和亞硫酸鈉溶液除去天然木材中的部分木質素和半纖維素，然后利用熱壓法使細胞壁完全塌陷，使纖維素納米纖維完全致密化，制得超強木材。這種超強木材的強度、韌性和抗沖擊性能比原來提高了10倍，超過了輕質鈦合金，而質量僅為鋼材的1/6。由于纖維素納米纖維具有更大的尺寸穩定性，使其有望成為一種低成本、高性能、質輕的鋼材替代品。

生理作用

作為膳食纖維使用

人類膳食中的纖維素主要含于蔬菜和粗加工的谷類中，雖然不能被消化吸收，但有促進腸道蠕動，利于糞便排出等功能。草食動物則依賴其消化道中的共生微生物將纖維素分解，從而得以吸收利用。纖維素可以作為膳食纖維添加劑應用于食品工業。纖維素基膳食纖維在主食方面的應用主要表現為在米飯、面條和饅頭中的添加。添加纖維素纖維到米飯中，可以增加米飯的蓬松清香口感；在面條中添加，則可改善面條的韌性。在焙烤食品中，纖維素纖維的應用最為廣泛，主要產品包括高粗食纖維面包、蛋糕、餅干和桃酥等。膳食纖維的加入可以改善產品的持水力，吸附大量水分，有利于產品的凝固和保鮮，同時降低了生產成本，例如使用纖維素纖維來穩定米糠粉。