羥乙基纖維素的合成及應(yīng)用

1、羥乙基纖維素的合成及應(yīng)用羥乙基纖維素（HEC）是一種非離子型的水溶性纖維素醚。外觀為白色至淡黃色的無毒、無味纖維狀或粉末狀固體。被廣泛應(yīng)用于石油開采、日用化工、建筑、涂料、高分子聚合等領(lǐng)域，近年來在醫(yī)藥方面的應(yīng)用也越來越得到重視。1 生產(chǎn)工藝1.1 氣相法和液相法氣相法和液相法這2種生產(chǎn)工藝都需預(yù)先制備堿纖維素，將纖維素于20左右浸漬于18%（質(zhì)量）左右的NaOH中脫脂、醚化反應(yīng)后經(jīng)過中和、洗滌、干燥、粉碎，獲得最終產(chǎn)品。合成HEC的主要反應(yīng)方程式如下：a 堿活化反應(yīng) C6H7O2(OH)3n + nNaOH C6H7O2(OH)2ONan + nH2O該反應(yīng)先在纖維素分子中葡萄糖單元的伯羥基

2、然后在仲羥基上發(fā)生堿化，使纖維素分子間的氫鍵力減弱或被破壞，堿化后的纖維素溶解于高濃度的堿液中。b.醚化反應(yīng)在上述堿纖維素溶液中加入環(huán)氧乙烷，隨即發(fā)生醚化反應(yīng)： OC6H7O2(OH)2OHNaOH + CH2 CH2 C6H7(OH)2OCH2CH2OH醚化的產(chǎn)物可以和環(huán)氧乙烷進(jìn)一步反應(yīng)，或使側(cè)鏈增長(zhǎng)，或使側(cè)鏈數(shù)目增加。（1） 氣相法 氣相法又分為直接氣固法和真空氣固法。 直接氣固法制HEC的生產(chǎn)過程：棉纖維脫脂、擠干，與環(huán)氧乙烷在4446下直接反應(yīng)12小時(shí)制取。該法過程簡(jiǎn)單，但產(chǎn)品粘度太低。 真空充氮?dú)夤谭ㄖ迫EC的生產(chǎn)過程：把反應(yīng)器抽成真空，充氮兩次，加入環(huán)氧乙烷，在真空度9.0641

3、04Pa、27-32下反應(yīng)33.5小時(shí)得到產(chǎn)品HEC。此法雖然生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單，但環(huán)氧乙烷消耗量大，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，最終產(chǎn)品成本高。工藝框圖見圖1。 NaOH N2 EO 醚化粉碎壓榨浸漬棉纖維素 醇洗離心分離干燥粉碎成品圖1 真空充氮?dú)夤谭ㄉa(chǎn)HEC工藝流程圖（2）液相法堿化與活化：將棉絮剪碎后，用2%的NaOH蒸煮60min，再加80水洗滌34次，然后烘干；堿化后的棉絮用18%NaOH浸漬，活化溫度25-40，30min后壓榨出堿液；醚化：將活化的羥乙基纖維素加入稀釋劑中（常用的稀釋劑有丙酮、異丙醇、叔丁醇或它們的混合物，產(chǎn)物在稀釋劑中保持不溶），而后加入環(huán)氧乙烷。反應(yīng)一定時(shí)間后，用乙酸中和反應(yīng)

4、物至PH值67；然后加入乙醇進(jìn)行洗滌34次脫鹽；m(棉纖維):m(乙醇)=1:10；最后擠出產(chǎn)品的液體，然后將產(chǎn)品在70干燥58h，即得產(chǎn)品羥乙基纖維素。其工藝框圖見圖2EO醚化壓榨堿化棉纖維 成品粉碎干燥洗滌中和洗滌 溶劑溶劑 醋酸圖2 液相法生產(chǎn)HEC工藝流程圖液相法生產(chǎn)HEC的成本低，產(chǎn)品質(zhì)量高，生產(chǎn)過程易于控制，目前大多數(shù)生產(chǎn)廠都采用此工藝。1.2 超聲波法氣相法原料環(huán)氧乙烷消耗大，成本高。目前已趨向淘汰；兩步液相法相對(duì)于氣相法原料單耗有所降低，但是堿化時(shí)耗堿過多，廢堿液的處理排放仍然是一大難題。因此開發(fā)HEC生產(chǎn)的新工藝，簡(jiǎn)化工藝流程，降低環(huán)氧乙烷消耗量，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，

5、具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而近幾年來，超聲波作為一種新的能量形式用于有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，不僅使很多以往不能進(jìn)行或難以進(jìn)行的反應(yīng)得以順利進(jìn)行，而且它作為一種方便、迅速、有效、安全的合成技術(shù)大大優(yōu)越于傳統(tǒng)的攪拌、外加熱方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在羥乙基纖維素的合成過程中使用超聲波，反應(yīng)時(shí)間縮短了近1/2，所得產(chǎn)品完全能達(dá)到美國(guó)實(shí)驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)的HRC分析方法，即ASTMD2364-89所規(guī)定的指標(biāo)要求。而且反應(yīng)條件簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）超聲波用于羥乙基纖維素的合成的最適宜工藝條件為：超聲波輻射時(shí)間在4050min，輻射強(qiáng)度30KHz,原料配比m(Cell):m(EO)為1:1.2，醚化溫度505。

6、在此工藝條件下，醚化率可達(dá)81%；（2）將超聲波用于羥乙基纖維素的合成，反應(yīng)時(shí)間僅為45min，而傳統(tǒng)的液相法為90120min，反應(yīng)時(shí)間縮短了一半，反應(yīng)溫度降低了3040，而醚化率提高20%。且工藝簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)。2 應(yīng)用2.1 醫(yī)藥方面潛力可挖羥乙基纖維素(HEC)在國(guó)內(nèi)的規(guī)?；a(chǎn)是一個(gè)“遲到”的項(xiàng)目。HEC是一種高彈性的非離子聚合物，對(duì)氧氣傳輸有較好的屏障阻隔作用，它能夠與許多原輔料配伍。在國(guó)外，HEC在制劑中的應(yīng)用已非常廣泛，但是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的HEC系列產(chǎn)品主要被用于化妝品等的工業(yè)生產(chǎn)，還沒有藥用級(jí)別的HEC輔料在藥劑中的應(yīng)用。隨著制劑技術(shù)的發(fā)展，藥用級(jí)別的HEC輔料的潛力應(yīng)該被很

7、好地挖掘出來。（1）眼部給藥系統(tǒng)的賦形劑眼部給藥系統(tǒng)（ODS）有溶液或混懸液滴眼劑、眼膏劑、眼膜劑3個(gè)主要?jiǎng)┬?。它們存在藥物易損失，生物利用度低等問題。設(shè)計(jì)理想的眼部給藥制劑是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的工作。用可附著于眼組織的生物黏合性聚合物傳送藥物是一個(gè)有發(fā)展前景的新技術(shù)。此類材料以凝膠形式被置于眼內(nèi)，可使藥物的滯留時(shí)間延長(zhǎng)到24小時(shí)以上?？蛇x擇的材料有聚乙烯醇（PVA）、纖維素類衍生物、葡聚糖類衍生物等。利用脫乙酰殼多糖/HEC制備的水凝膠型毛果蕓香堿ODS，其釋藥遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)。溫度和HEC濃度對(duì)凝膠化速率和水凝膠彈性強(qiáng)度的影響研究，以及毛果蕓香堿的體外釋放研究的結(jié)果表明:HEC是形成凝膠網(wǎng)絡(luò)的主

8、要成分，水凝膠的強(qiáng)度正比于系統(tǒng)所用的HEC量；作為藥物賦形劑，HEC在眼部藥物控釋中起到了突出的作用。（2） 藥物緩釋性能 在口服緩控釋給藥系統(tǒng)的開發(fā)中，由于成本較低、安全和容易制造等因素，各種纖維素類衍生物被廣泛用于此類制劑的制備，其中纖維素醚類是最常用的水溶性、可膨化的聚合物。對(duì)一系列不同纖維素醚，包括羥丙基纖維素(HPC),羥乙基纖維素(HEC)，羥丙基甲基纖維素(HPMC)和甲基纖維素(MC)的比較研究顯示，材料的理化因素影響釋藥動(dòng)力學(xué)。其中HEC是親水性最大和溶蝕性最大的聚合物。與其他纖維素類材料不同，載藥的HEC基質(zhì)骨架顯示出藥物擴(kuò)散和骨架溶蝕的同步性，具有易獲得零級(jí)釋藥的潛力，近

9、期獲得的研究結(jié)果表明，藥物的溶解度和聚合物的分子量能極大地影響釋藥動(dòng)力學(xué)，選擇中等分子量級(jí)別的HEC和較難溶性藥物能得到比較線性的釋藥性能，片劑制造可采用傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)工藝。上海醫(yī)工院的科研人員在茶苯海明控釋劑型的研究中，分別以MC，HEC，聚羧乙烯934，EudragitRLPM和EudragitNE30D等不同類型的聚合物(含量2.5%10%)，用直接壓片和濕法制粒工藝制備了11個(gè)不同配方的片劑，綜合比較了各種片劑的指標(biāo)和體外不同模擬介質(zhì)的溶出速率，結(jié)果表明，含5%的聚羧乙烯934，5%的HEC和2.5%的EudragitNE30D分別是最合適的配方。江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院的張彩華、

10、劉曉亞等和江南大學(xué)食品學(xué)院的顧正彪以降解的羥乙基纖維素為基礎(chǔ)原料，將其與丙烯酸接枝共聚制備羥乙基纖維素接枝聚丙烯酸(HEC-g-PAA)，并以布洛芬為模型藥物，在水溶液中自組裝，形成穩(wěn)定的具有一定核殼結(jié)構(gòu)的高分子膠束載藥納米顆粒，并且與人體體溫相同，但PH不同的緩沖溶液中進(jìn)行藥物釋放的初步研究。結(jié)果表明，該接枝共聚物可以負(fù)載活性物質(zhì)，避免胃酸對(duì)活性物質(zhì)的破壞，從而在小腸部位實(shí)現(xiàn)靶向釋放。作為藥物緩釋載體具有良好的應(yīng)用前景。（3） 可用于時(shí)滯型給藥系統(tǒng)為適應(yīng)時(shí)辰性疾病，如哮喘、心絞痛、高血壓病和關(guān)節(jié)炎等的治療需要，時(shí)（4）有效的生物黏附性輔料口腔黏膜黏附吸收能夠有效地避免胃腸道對(duì)某些藥物的降解作

11、用，避免活性藥物的首過效應(yīng)，提高生物利用度，達(dá)到全身治療的目的?？谇火つそo藥新劑型的研究主要集中在篩選合適的基質(zhì)材料，利用黏膜黏附劑黏附于用藥部位，加強(qiáng)藥物與黏膜接觸的緊密型和持續(xù)性，以控制藥物吸收速率和吸收量上。例如胰島素口腔貼片持續(xù)釋藥可達(dá)6h。生物黏附劑基質(zhì)一般為高分子聚合物，如聚羧乙烯，HPC,聚乙烯吡咯烷酮(PVP),聚乙二醇(PEG)和PVA等。國(guó)外研究人員AndersR.等以水楊酸鈉和促甲狀腺釋放激素為模型藥，用HEC、HPC，PVA和PVP制成口腔雙層貼片，每片中聚合物含量2.98.8mg/cm3。釋藥研究結(jié)果顯示，HEC是最有效的生物黏附性輔料。2.2農(nóng)業(yè)HEC應(yīng)用在水基噴霧

12、中能有效地懸浮固體毒劑；應(yīng)用于噴霧作業(yè)中能起到粘附毒劑于葉面上的作用；可作為噴霧乳液的增稠劑，減少藥劑漂流，從而增加葉面噴施的使用效果；還可作為成膜劑應(yīng)用于種衣劑；作為粘合劑應(yīng)用于煙葉的回收利用。2.3建筑材料HEC可應(yīng)用于石膏、水泥、石灰和灰漿系統(tǒng)、瓷磚粘貼及砂漿中。在水泥組分中，它又可以作為緩凝劑和保水劑。在壁板作業(yè)的表面處理中，它應(yīng)用于乳膠體的配制，能夠預(yù)處表面并緩解墻體壓力，使涂刷油漆和表面涂料的效果更好；它可作為墻紙粘膠的增稠劑。HEC可通過增加硬化和涂抹時(shí)間，改善石膏灰漿的使用性能。在抗壓、抗扭曲強(qiáng)度及空間穩(wěn)定性方面，HEC比其它纖維素類有更好的效果。2.4化妝品和洗滌劑HEC在洗

13、發(fā)劑、頭發(fā)噴霧劑、中和劑、護(hù)發(fā)劑及化妝品中是一種有效的成膜劑、粘合劑、增稠劑、穩(wěn)定劑和分散劑。它的增稠性和保護(hù)膠體性能可應(yīng)用于液體洗滌劑和固體洗滌劑行業(yè)。HEC在高溫下溶解快，可以加快生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率。眾所周知，含HEC的洗滌劑的明顯特點(diǎn)是可以提高織物的平滑性和絲光性。2.5乳膠聚合選擇一定的摩爾取代度的HEC，在催化保護(hù)膠體聚合的過程中可發(fā)揮最佳的效果；在控制聚合物粒子的增長(zhǎng)、穩(wěn)定膠乳性能及耐低溫與高溫、抗機(jī)械剪切中，HEC均可發(fā)揮最佳的效果。在膠乳的聚合反應(yīng)過程中，HEC可保護(hù)膠體的濃度于一個(gè)臨界范圍內(nèi)，并控制聚合物粒子大小及參加反應(yīng)基團(tuán)的自由度。2.6石油開采HEC在加工和填充泥漿

14、中具有增粘劑。它幫助提供很好的低固相泥漿，并能最低程度減少對(duì)井眼的損害。用HEC增稠的泥漿容易被酸、酶或氧化劑降解為碳?xì)浠衔锊⒖勺畲笙薅鹊幕厥帐?。在破裂泥漿中,HEC能起到攜帶泥砂的作用。這些流體也能容易的被以上酸、酶或氧化劑降解。用HEC可配制理想的低固相鉆井液，它提供了更大的滲透率以及更好的鉆井穩(wěn)定性。其抑止流體的特性可被用在硬巖石層構(gòu)造的鉆進(jìn)中，其同樣也適用于崩坍或滑坍頁層的鉆進(jìn)。在加注水泥的作業(yè)中，HEC減少了孔壓水泥漿的摩阻，從而使水的流失對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損壞減少至最小程度。2.7造紙和油墨HEC能用作紙和紙板的上光劑以及油墨的保護(hù)膠。HEC在印刷上具有不受紙張大小限制的優(yōu)勢(shì)，并可用

15、于高質(zhì)量畫面的印刷，同時(shí)，由于其具有較低的表面滲透性和較強(qiáng)的光澤性還可以降低成本。它還可以應(yīng)用在任意大小的紙和紙板的印刷或日歷的印刷。在紙的上膠中，其通常用量0.52.0g/m2。HEC可增加涂料色彩中水的保存性能，尤其對(duì)高比例乳膠的涂料性能更加突出。在造紙過程中,HEC還有其它的更優(yōu)越性能，包括與絕大多數(shù)樹膠、樹脂和無機(jī)鹽的相容性、速溶性、泡沫低、耗氧少及可以形成光滑的表面膜。在油墨制造中，HEC被用于水基復(fù)印油墨的生產(chǎn)，這種油墨可以快干，且色彩擴(kuò)散性好而不會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)。2.8紡織業(yè)（1）織物上漿HEC很早就用于紗線和織物材料的上漿和染整，這種膠漿可通過水洗能把其從纖維中洗去。在與其它樹脂的混

16、用中，HEC可以更廣泛地應(yīng)用在織物處理上，在玻璃纖維中它被用來作為成形劑和粘合劑，在皮革漿料中可作為修飾劑和粘合劑。（2）織物膠乳涂料、粘合劑和膠粘劑用HEC增稠的膠粘劑是假塑性的，也就是說，他們?cè)谇凶兿伦兿?，但能很快回到高粘度控制下并可提高印染清晰度。HEC能控制水分的釋放并允許其連續(xù)流動(dòng)在印染輥上而不增加膠粘劑?？刂扑尼尫湃菰S有更多的敞開時(shí)間，有利于填料的容納和形成一層比較好的膠粘膜，而不會(huì)明顯的增加干燥時(shí)間。HEC XT-4在溶液中濃度為0.2%至0.5%時(shí)，可改善非織物粘合劑的機(jī)械強(qiáng)度，在濕料輥上減少濕的清棉，增加了最終產(chǎn)品的濕強(qiáng)度。HEC XT-40對(duì)非織物的印染是一種理想的粘合劑，并能得到清晰、美觀的圖象。HEC可作為丙烯酸涂料的粘合劑和非織物加工的膠粘劑。還用于織物的底層涂料和粘合劑的增稠劑。它與填料不反應(yīng)且在低濃度時(shí)仍然有效。（3）織物地毯的染色和印染在地毯染色中，比如庫(kù)斯特思連續(xù)染色系統(tǒng)，很少有其它增稠劑能比得上HEC的增稠效果和配伍性。由于其增稠效果號(hào)，易溶于各種溶劑中、雜質(zhì)含量低不干擾染料的吸收和顏色的擴(kuò)散，使印染不受不溶性凝膠（這種不溶性凝膠可導(dǎo)致在織物上出現(xiàn)斑點(diǎn)）和高技術(shù)要求的均勻性限制。2.9其它方面的應(yīng)用消防：HEC可作為添加劑增大防火材料的覆蓋性能，已被廣泛應(yīng)用于防火“增稠劑”的配制。鑄造：HEC可