關于半纖維素化學改性的研究概述

摘 要：半纖維素作為一種可再生的綠色資源，已經成為許多行業領域內工業原料的替代品。半纖維素自身的性質特點限制了其在工業領域內的發展，通過化學改性可以擴展其應用范圍。本文主要介紹了半纖維素的基本結構特點，詳細闡述了酯化改性和醚化改性的研究發展狀況，并對半纖維素的未來發展進行了展望。

關鍵詞：半纖維素；酯化改性；醚化改性

進入二十一世紀以后，資源的可再生化成為人類進步與發展的迫切要求之一。半纖維素因其具有豐富以及可再生的特點，已經成為近年來人們研究與關注的重點。半纖維素在植物界的地位是非常高的，是除纖維素以外儲量最高的植物資源。因此，如果可以將半纖維素加以改性與利用，則其可以作為新的環保型原料取代大部分傳統的工業原料，一方面可以提高資源的利用率，另一方面可以降低對環境造成的破壞。目前，半纖維素的分離、改性以及應用已經成為發展半纖維素的關鍵所在，本文主要圍繞半纖維素的化學改性進行概述，介紹其研究進展。

1半纖維素簡介

1.1半纖維素的基本性質

半纖維素最主要的性質是結構的復雜性。半纖維素結構的復雜性主要是由于其氫鍵數量較大，并且化學結構形式多變。因此，一般來說，半纖維素是不溶于水的，官能團的種類也很大程度上影響半纖維素的性質，這使得半纖維素在實際應用時會遇到許多問題，因而限制了半纖維素在工業方面的應用與發展，目前來說，半纖維素的改性成為其研究重點。

1.2半纖維素的基本結構

半纖維素的基本組成單位一般是非晶戊糖（C5H8O4）n和己糖（C6H10O5）n，但是半纖維素的分子量不是特別大，屬于低分子量聚合物。半纖維素按照結構來分可以分為均一聚糖和非均一聚糖。均一聚糖為直鏈結構，以β—1→4的方式進行連接。組成半纖維素的糖單元種類較多，主要包括D—木糖、L—阿拉伯糖、D—葡萄糖、D—半乳糖等，每種半纖維素所含有的糖單元不是唯一的，通常一種半纖維素含有2～4種糖單元，含有相同糖單元的半纖維素因為其糖單元的連接方式不同而導致半纖維素的種類不同。可見，半纖維素的種類是極其豐富的。特別是在木材及非木材植物的細胞壁里的半纖維素結構非常復雜，主要原因是它們在與其他物質進行連接時所采取的連接方式是不同的，例如與纖維素連接是通過氫鍵，與木素進行連接是通過共價鍵等。另外，半纖維素與纖維素最大的不同在于其合成方式。前者采用生物合成，后者采用葡萄糖—UDP合成。

2 半纖維素的化學改性

半纖維素的化學改性主要有兩種方式：酯化改性和醚化改性。通過化學改性可以最大限度的對半纖維素的性質進行改善，從而可以提高半纖維素的利用率，使其的應用范圍得到了很大的拓展。

2.1酯化改性

半纖維素的酯化改性是指將半纖維素上的羥基與酸進行反應生成半纖維素酯。乙酰化反應是最常見的酯化反應之一。化學改性根據介質的不同可以分為異向介質改性和均相介質改性兩種，前者化學改性的性價比較低，因而在工業上沒有得到大范圍的應用。后者不但可以提高半纖維素化學改性的效率與成功率，而且可以大大降低化學改性的成本，成為眾多學者的研究方向之一。

孫潤倉教授在半纖維素均相介質中的酯化改性進行了大量的實驗摸索，發現用N—溴丁二酰亞胺（NBS）作為催化劑，可以大大提高半纖維素酯化反應的效率，并且與傳統所采用的催化劑二甲氨基吡啶相比，對反應條件的要求以及成本均得到了大幅度降低。這為半纖維素酯化改性的工業化應用奠定了基礎。另外，半纖維素的酯化反應可以來增加半纖維素的親水能力或者疏水能力，因而實現對半纖維素的改性。親水能力的實現一般是通過與長鏈酰氯類酯化劑的反應，疏水能力的實現一般是通過與丁二酸的反應。通過對半纖維素的親水與疏水能力的改性，可以提高半纖維素在工業領域內的應用潛力，例如作為金屬螯合劑以及除油劑等的使用。

2.2醚化改性

半纖維素的醚化改性是指將半纖維素上的羥基與烷基進行反應生成半纖維素醚。合成羧甲基半纖維素是半纖維素醚化改性的主要研究方向。全金英等人利用羧甲基化反應對半纖維素進行改性，實現了對反應產物取代度的控制，主要的控制方式是調節一氯醋酸和氫氧化鈉的摩爾比。Fang等人實現了半纖維素90%左右的自由羥基被甲基化，但是該醚化反應的取代度較低，因為半纖維素的潤脹性較差。可以實現較高的羥基取代率的典型物質是苯甲基醚，并且苯甲基醚的性質穩定，具有一定的反應活性。A.Ebringerov等人利用醚化反應制備出了聚木糖衍生物，該物質具有一定的乳化性和蛋白泡沫穩定性，但是同樣的，其取代度并不是特別高。

3 半纖維素的應用

3.1在生物和醫藥上的應用

在生物和醫藥上的應用最多的半纖維素主要是指木聚糖，木聚糖的分離方式較為容易，并且來源極其廣泛，例如廢棄的農業物以及果皮果殼等。阿拉伯木聚糖可以應用于醫學上的免疫刺激功能，40—甲基葡萄糖醛酸木糖在醫學上可以應用于惡性腫瘤的治療與抑制方面，羧甲基木聚糖已經成為國內比較前沿的新型治療癌癥的藥物之一。除此之外，半纖維素在關節炎以及膀胱炎等疾病的治療上也應用較多。同時，隨著對半纖維素的改性研究，可以大大提高半纖維素在生物和醫藥上的應用潛力。

3.2在造紙工業上的應用

在造紙工業上，半纖維素可以作為造紙助劑使用，主要包括打漿助劑和濕部助劑。半纖維素作為打漿助劑使用時是因為半纖維素的羥基較多，易吸水膨脹，因而可以使得纖維素的吸水性增加，提高纖維素的韌性，制造出來的紙張具有致密度高和透明度低的優點。作為濕部助劑的使用與打漿助劑的原理是相似的，都是可以增加纖維的彈性，但是另一方面也使得紙張的強度有一定程度的降低。

結語

半纖維素的化學改性使得半纖維素在工業上的應用范圍得到了極大的拓展，但是目前來看，化學改性的研究還處于起步階段，對于化學改性的反應機理以及溶解機理等研究還缺乏一定的深度，這也是限制半纖維素實際應用的主要原因之一。因此，必須要加大對半纖維素化學改性的基礎研究，為半纖維素的工業應用奠定理論基礎。

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作者簡介：施瑋，男，安徽省安慶市人，1993-03-12，池州學院，247000，本科，研究方向：高分子材料與工程，地址：安徽省池州市教育園區池州學院。