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纖維素的化學結構 纖維素是由D-吡喃型葡萄糖基(失水葡萄糖)組成。簡單分子式為(C6H10O5)n;化學結構式可用下二式。

可參考詞條:纖維素

包括纖維素的化學結構和物理結構。

纖維素的化學結構 纖維素是由D-吡喃型葡萄糖基(失水葡萄糖)組成。簡單分子式為(C6H10O5)n;化學結構式可用下二式表示:
霍沃思式  是由許多D-葡萄糖基(1-5結環),藉1-4,β-型聯結連接起來的,而且連接在環上碳原子兩端的OH和H位置不相同,所以具有不同的性質。式中n為聚合度。在天然纖維素中,聚合度可達10000左右;再生纖維素的聚合度通常為200~800。在一個樣品中,各個高分子的聚合度可以不同,具有多分散性。

纖維素結構

椅式  由於內旋轉作用,使分子中原子的幾何排列不斷發生變化,產生了各種內旋轉異構體,稱為分子鏈的構象。纖維素高分子中,6位上的碳-氧鍵繞5和6位之間的碳-碳鍵旋轉時,相對於5位上的碳-氧鍵和5位與4位之間的碳-氧鍵可以有三種不同的構象。如以g表示旁式,t表示反式,則三種構象為gt、tg、和gg(圖1)。多數人認為,天然纖維素是gt構象,再生纖維素是tg構象。

纖維素結構

在纖維素分子鏈中,存在著氫鍵。這種氫鍵把鏈中的O6(6位上的氧)與O2'以及O3與O5'連接起來使整個高分子鏈成為帶狀,從而使它具有較高的剛性。在砌入晶格以後, 一個高分子鏈的O6與相鄰高分子的O3之間也能生成鏈間氫鍵(圖2)。

纖維素結構纖維素結構
 
纖維素結構纖維素結構

纖維素的物理結構  晶胞及其參數  具有一定構象的纖維素高分子鏈按一定的秩序堆砌,便成為纖維素的微晶體,微晶體的組成單元稱為晶胞。代表晶胞尺寸的參數可以從纖維素的寬角X射線圖象(圖3)直接算出。

在纖維素中存在著化學組成相同,而單元晶胞不同的同質多晶體(結晶變體),常見的結晶變體有四種,即纖維素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。四種結晶變體的晶胞參數見表。

纖維素結構纖維素結構
 
纖維素結構纖維素結構
 
纖維素結構纖維素結構

  圖4 是纖維素Ⅰ的晶胞尺寸和高分子鏈在晶胞中的堆砌情況。晶胞屬單斜晶系,每個晶胞中含有兩個重複單元。晶格中心的高分子相對於四角的高分子在c軸方向有c/4軸長度的位移。纖維素高分子是有方向性的;通常認為在纖維素Ⅰ中,高分子的指向是平行的;在其他結晶變體中相鄰高分子是逆平行的。
  纖維素Ⅰ是天然纖維素的晶型。用12%~14%的氫氧化鈉溶液絲光處理(即鹼化)纖維素Ⅰ后,晶型變成纖維素Ⅱ,這一變化是不可逆的,說明纖維素Ⅱ是較穩定的一種晶型。皂化纖維素乙酸酯是結晶比較完整的纖維素Ⅱ。  
  將纖維素Ⅰ(例如天然苧麻纖維)和纖維素Ⅱ(例如皂化纖維素乙酸酯)分別用液氨處理,然後使液氨揮發,就得到纖維素Ⅲ和Ⅲ;再將纖維素Ⅲ和Ⅲ在250℃的甘油中加熱,就得到纖維素Ⅳ和Ⅳ。應該指出,凡是纖維素Ⅰ通過纖維素Ⅳ然後鹼化和再生的纖維素晶型,都毫無例外地是Ⅱ型。
  取向  天然纖維素纖維和再生纖維素纖維在形成時都有某些因素迫使高分子軸與纖維軸或多或少維持一定的平行程度,這種性質稱為取向。它可用取向度定量地表述。高分子的取向,使纖維的力學性能、光學性能、溶脹性能等都具有各向異性。
  由於纖維素超分子結構中含有晶區和非晶區,分子鏈的取向一般分為三種:①全部分子鏈的取向,可用光學雙折射方法測定;②晶體的取向,可用X射線法測定;非晶區分子鏈的取向,可通過前兩種測定進行換算,或用染色二色性法測定。
  結晶度  纖維素與很多其他高聚物一樣是多晶,即由無數微晶體與非晶區交織在一起的。其結晶的程度視纖維品種而異。天然纖維素如苧麻的結晶度略高於70%,而再生纖維素如粘膠纖維則只有35%左右。測定結晶度的方法有X射線衍射法、密度法、紅外線法。
  纖維素纖維的微細結構  經電子顯微鏡研究,一些作者提出圖5纖維素結構所示模型。從形態上看,纖維的基礎要素是基原纖(維),其直徑約為30~35埃。除基原纖外,還有直徑為120埃和250埃的微細結構。120埃稱為微原纖,由16個基原纖組成。250埃的微細結構稱為巨原纖,由4個微原纖組成。迄今為止,這種模型尚未被普遍接受。
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