羟乙基纤维素的合成及应用

羟乙基纤维素的合成及应用

羟乙基纤维素（HEC）是一种非离子型的水溶性纤维素醚。外观为白色至淡黄色的无毒、无味纤维状或粉末状固体。被广泛应用于石油开采、日用化工、建筑、涂料、高分子聚合等领域，近年来在医药方面的应用也越来越得到重视。

1 生产工艺

1.1 气相法和液相法

气相法和液相法这2种生产工艺都需预先制备碱纤维素，将纤维素于20℃左右浸渍于18%（质量）左右的NaOH中脱脂、醚化反应后经过中和、洗涤、干燥、粉碎，获得最终产品。

合成HEC的主要反应方程式如下：

a．碱活化反应

[C6H7O2(OH)3]n

6H7O2(OH)2ONa]n + nH2O

该反应先在纤维素分子中葡萄糖单元的伯羟基然后在仲羟基上发生碱化，使纤维素分子间的氢键力减弱或被破坏，碱化后的纤维素溶解于高浓度的碱液中。

b.醚化反应

在上述碱纤维素溶液中加入环氧乙烷，随即发生醚化反应：

O

C6H7O2(OH)2OH·NaOH + CH26H7(OH)2OCH2CH2OH

醚化的产物可以和环氧乙烷进一步反应，或使侧链增长，或使侧链数目增加。

（

1） 气相法

气相法又分为直接气固法和真空气固法。

①直接气固法制HEC的生产过程：棉纤维脱脂、挤干，与环氧乙烷在44～46℃下直接反应1～2小时制取。该法过程简单，但产品粘度太低。

② 真空充氮气固法制取HEC的生产过程：把反应器抽成真空，充氮两次，加入环氧乙烷，在真空度9.064×104Pa、27-32℃下反应3～3.5小时得到产品HEC。此法虽然生产过程简单，但环氧乙烷消耗量大，反应时间较长，最终产品成本高。工艺框图见图1。

图1 真空充氮气固法生产HEC工艺流程图

（2）液相法

碱化与活化：将棉絮剪碎后，用2%的NaOH蒸煮60min，再加80℃水洗涤3～4次，然后烘干；碱化后的棉絮用18%NaOH浸渍，活化温度25-40℃，30min后压榨出碱液；

醚化：将活化的羟乙基纤维素加入稀释剂中（常用的稀释剂有丙酮、异丙醇、叔丁醇或它们的混合物，产物在稀释剂中保持不溶），而后加入环氧乙烷。反应一定时间后，用乙酸中和反应物至PH值6～7；然后加入乙醇进行洗涤3～4次脱盐；m(棉纤维):m(乙醇)=1:10；最后挤出产品的液体，然后将产品在70℃干燥5～8h，即得产品羟乙基纤维素。

其工艺框图见图2

图2 液相法生产HEC工艺流程图

液相法生产HEC的成本低，产品质量高，生产过程易于控制，目前大多数生产厂都采用此工艺。

1.2 超声波法

气相法原料环氧乙烷消耗大，成本高。目前已趋向淘汰；两步液相法相对于气相法原料单耗有所降低，但是碱化时耗碱过多，废碱液的处理排放仍然是一大难题。因此开发HEC生产的新工艺，简化工艺流程，降低环氧乙烷消耗量，缩短反应时间，提高产品质量，具有重要的现实意义。

而近几年来，超声波作为一种新的能量形式用于有机化学反应，不仅使很多以往不能进行或难以进行的反应得以顺利进行，而且它作为一种方便、迅速、有效、安全的合成技术大大优越于传统的搅拌、外加热方法。实验结果表明，在羟乙基纤维素的合成过程中使用超声波，反应时间缩短了近1/2，所得产品完全能达到美国实验与材料协会的HRC分析方法，即ASTMD2364-89所规定的指标要求。而且反应条件简单，易于工业化生产。

实验结果表明：

（1）超声波用于羟乙基纤维素的合成的最适宜工艺条件为：超声波辐射时间在40～50min，辐射强度30KHz,原料配比m(Cell):m(EO)为1:1.2，醚化温度50±5℃。在此工艺条件下，醚化率可达81%；

（2）将超声波用于羟乙基纤维素的合成，反应时间仅为45min，而传统的液相法为90～120min，反应时间缩短了一半，反应温度降低了30～40℃，而醚化率提高20%。且工艺简单，易于工业化生产。

2 应用

2.1 医药方面潜力可挖

羟乙基纤维素(HEC)在国内的规模化生产是一个“迟到”的项目。HEC是一种高弹性的非离子聚合物，对氧气传输有较好的屏障阻隔作用，它能够与许多原辅料配伍。在国外，HEC在制剂中的应用已非常广泛，但是国内生产的HEC系列产品主要被用于化妆品等的工业生产，还没有药用级别的HEC辅料在药剂中的应用。随着制剂技术的发展，药用级别的HEC辅料的潜力应该被很好地挖掘出来。

（1）眼部给药系统的赋形剂

眼部给药系统（ODS）有溶液或混悬液滴眼剂、眼膏剂、眼膜剂3个主要剂型。它们存在药物易损失，生物利用度低等问题。设计理想的眼部给药制剂是一项颇具挑战性的工作。用可附着于眼组织的生物黏合性聚合物传送药物是一个有发展前景的新技术。此类材料以凝胶形式被置于眼内，可使药物的滞留时间延长到24小时以上。可选择的材料有聚乙烯醇（PVA）、纤维素类衍生物、葡聚糖类衍生物等。利用脱乙酰壳多糖/HEC制备的水凝胶型毛果芸香碱ODS，其释药遵循一级动力学。温度和HEC浓度对凝胶化速率和水凝胶弹性强度的影响研究，以及毛果芸香碱的体外释放研究的结果表明:HEC是形成凝胶网络的主要成分，水凝胶的强度正比于系统所用的HEC量；作为药物赋形剂，HEC在眼部药物控释中起到了突出的作用。

（2） 药物缓释性能

在口服缓控释给药系统的开发中，由于成本较低、安全和容易制造等因素，各种纤维素类衍生物被广泛用于此类制剂的制备，其中纤维素醚类是最常用的水溶性、可膨化的聚合物。对一系列不同纤维素醚，包括羟丙基纤维素(HPC),羟乙基纤维素(HEC)，羟丙基甲基纤维素(HPMC)和甲基纤维素(MC)的比较研究显示，材料的理化因素影响释药动力学。其中HEC是亲水性最大和溶蚀性最大的聚合物。与其他纤维素类材料不同，载药的HEC基质骨架显示出药物扩散和骨架溶蚀的同步性，具有易获得零级释药的潜力，近期获得的研究结果表明，药物的溶解度和聚合物的分子量能极大地影响释药动力学，选择中等分子量级别的HEC和较难溶性药物能得到比较线性的释药性能，片剂制造可采用传统的大规模生产工艺。

上海医工院的科研人员在茶苯海明控释剂型的研究中，分别以MC，HEC，聚羧乙烯934，EudragitRLPM和EudragitNE30D等不同类型的聚合物(含量2.5%～10%)，用直接压片和湿法制粒工艺制备了11个不同配方的片剂，综合比较了各种片剂的指标和体外不同模拟介质的溶出速率，结果表明，含5%的聚羧乙烯934，5%的HEC和2.5%的EudragitNE30D分别是最合适的配方。

江南大学化学与材料工程学院的张彩华、刘晓亚等和江南大学食品学院的顾正彪以降解的羟乙基纤维素为基础原料，将其与丙烯酸接枝共聚制备羟乙基纤维素接枝聚丙烯酸(HEC-g-PAA)，并以布洛芬为模型药物，在水溶液中自组装，形成稳定的具有一定核壳结构的高分子胶束——载药纳米颗粒，并且与人体体温相同，但PH不同的缓冲溶液中进行药物释放的初步研究。结果表明，该接枝共聚物可以负载活性物质，避免胃酸对活性物质的破坏，从而在小肠部位实现靶向释放。作为药物缓释载体具有良好的应用前景。

（3） 可用于时滞型给药系统

为适应时辰性疾病，如哮喘、心绞痛、高血压病和关节炎等的治疗需要，时 间脉冲给药系统的研究受到关注。研制这种制剂的关键是控制释药的时滞性，使药物在预定的时间开始释放并能迅速起效。由于HEC具有非离子型属性，与PH值无关释药，粘度规格选择广等特性，有的研究人员采用地尔疏作为模型药物，系统地研究HEC用于时滞型制剂的效果。其内层片芯为含药部分，外层用25厘泊的HEC通过干法压制包衣，溶出检测结果显示，随着HEC用量的增加，时滞时间从3.79h延长到11.0h，而后的释药速率可基本保持不变。

（4）有效的生物黏附性辅料

口腔黏膜黏附吸收能够有效地避免胃肠道对某些药物的降解作用，避免活性 药物的首过效应，提高生物利用度，达到全身治疗的目的。口腔黏膜给药新剂型的研究主要集中在筛选合适的基质材料，利用黏膜黏附剂黏附于用药部位，加强药物与黏膜接触的紧密型和持续性，以控制药物吸收速率和吸收量上。例如胰岛素口腔贴片持续释药可达6h。生物黏附剂基质一般为高分子聚合物，如聚羧乙烯，HPC,聚乙烯吡咯烷酮(PVP),聚乙二醇(PEG)和PVA等。国外研究人员AndersR.等以水杨酸钠和促甲状腺释放激素为模型药，用HEC、HPC，PVA和PVP制成口腔双层贴片，每片中聚合物含量2.9～8.8mg/cm3。释药研究结果显示，HEC是最有效的生物黏附性辅料。

2.2农业

HEC应用在水基喷雾中能有效地悬浮固体毒剂；应用于喷雾作业中能起到粘附毒剂于叶面上的作用；可作为喷雾乳液的增稠剂，减少药剂漂流，从而增加叶面喷施的使用效果；还可作为成膜剂应用于种衣剂；作为粘合剂应用于烟叶的回收利用。

2.3建筑材料

HEC可应用于石膏、水泥、石灰和灰浆系统、瓷砖粘贴及砂浆中。在水泥组分中，它又可以作为缓凝剂和保水剂。在壁板作业的表面处理中，它应用于乳胶体的配制，能够预处表面并缓解墙体压力，使涂刷油漆和表面涂料的效果更好；它可作为墙纸粘胶的增稠剂。

HEC可通过增加硬化和涂抹时间，改善石膏灰浆的使用性能。在抗压、抗扭曲强度及空间稳定性方面，HEC比其它纤维素类有更好的效果。

2.4化妆品和洗涤剂

HEC在洗发剂、头发喷雾剂、中和剂、护发剂及化妆品中是一种有效的成膜剂、粘合剂、增稠剂、稳定剂和分散剂。它的增稠性和保护胶体性能可应用于液体洗涤剂和固体洗涤剂行业。HEC在高温下溶解快，可以加快生产过程，提高生产效率。众所周知，含HEC的洗涤剂的明显特点是可以提高织物的平滑性和丝光性。

2.5乳胶聚合

选择一定的摩尔取代度的HEC，在催化保护胶体聚合的过程中可发挥最佳的效果；在控制聚合物粒子的增长、稳定胶乳性能及耐低温与高温、抗机械剪切中，HEC均可发挥最佳的效果。在胶乳的聚合反应过程中，HEC可保护胶体的浓度于一个临界范围内，并控制聚合物粒子大小及参加反应基团的自由度。

2.6石油开采

HEC在加工和填充泥浆中具有增粘剂。它帮助提供很好的低固相泥浆，并能最低程度减少对井眼的损害。用HEC增稠的泥浆容易被酸、酶或氧化剂降解为碳氢化合物并可最大限度的回收石油。在破裂泥浆中,HEC能起到携带泥砂的作用。

这些流体也能容易的被以上酸、酶或氧化剂降解。

用HEC可配制理想的低固相钻井液，它提供了更大的渗透率以及更好的钻井稳定性。其抑止流体的特性可被用在硬岩石层构造的钻进中，其同样也适用于崩坍或滑坍页层的钻进。在加注水泥的作业中，HEC减少了孔压水泥浆的摩阻，从而使水的流失对结构造成的损坏减少至最小程度。

2.7造纸和油墨

HEC能用作纸和纸板的上光剂以及油墨的保护胶。HEC在印刷上具有不受纸张大小限制的优势，并可用于高质量画面的印刷，同时，由于其具有较低的表面渗透性和较强的光泽性还可以降低成本。它还可以应用在任意大小的纸和纸板的印刷或日历的印刷。在纸的上胶中，其通常用量0.5～2.0g/m2。HEC可增加涂料色彩中水的保存性能，尤其对高比例乳胶的涂料性能更加突出。

在造纸过程中,HEC还有其它的更优越性能，包括与绝大多数树胶、树脂和无机盐的相容性、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被用于水基复印油墨的生产，这种油墨可以快干，且色彩扩散性好而不会产生粘结。

2.8纺织业

（1）织物上浆

HEC很早就用于纱线和织物材料的上浆和染整，这种胶浆可通过水洗能把其从纤维中洗去。在与其它树脂的混用中，HEC可以更广泛地应用在织物处理上，在玻璃纤维中它被用来作为成形剂和粘合剂，在皮革浆料中可作为修饰剂和粘合剂。

（2）织物胶乳涂料、粘合剂和胶粘剂

用HEC增稠的胶粘剂是假塑性的，也就是说，他们在切变下变稀，但能很快回到高粘度控制下并可提高印染清晰度。

HEC能控制水分的释放并允许其连续流动在印染辊上而不增加胶粘剂。控制水的释放容许有更多的敞开时间，有利于填料的容纳和形成一层比较好的胶粘膜，而不会明显的增加干燥时间。

HEC XT-4在溶液中浓度为0.2%至0.5%时，可改善非织物粘合剂的机械强度，在湿料辊上减少湿的清棉，增加了最终产品的湿强度。HEC XT-40对非织物的印染是一种理想的粘合剂，并能得到清晰、美观的图象。

HEC可作为丙烯酸涂料的粘合剂和非织物加工的胶粘剂。还用于织物的底层涂料和粘合剂的增稠剂。它与填料不反应且在低浓度时仍然有效。

（3）织物地毯的染色和印染

在地毯染色中，比如库斯特思连续染色系统，很少有其它增稠剂能比得上HEC的增稠效果和配伍性。由于其增稠效果号，易溶于各种溶剂中、杂质含量低不干扰染料的吸收和颜色的扩散，使印染不受不溶性凝胶（这种不溶性凝胶可导致在织物上出现斑点）和高技术要求的均匀性限制。

2.9其它方面的应用

消防：HEC可作为添加剂增大防火材料的覆盖性能，已被广泛应用于防火“增稠剂”的配制。

铸造：HEC可改进水泥砂和硅酸钠砂子系统的湿强度和可收缩性。

显微技术：HEC可用于胶片的制作，作为分散剂用于显微载片的制作。 摄影：在处理胶片的高盐浓度的流体中作增稠剂。

荧光管涂料：在荧光灯管涂料中作荧光剂的粘合剂、稳定的分散剂应用于均

匀的可控制的比例中。选择不同的级别和浓度的HEC可控制粘合和湿强度。

电镀和电解：HEC可保护胶体不受电解质浓度的高低影响；在镉的电镀液中羟乙基纤维素可促进均匀沉积。

陶瓷：可用于配制陶瓷的高强度粘合剂。

电缆：防水剂可防止水分进入损坏的电缆线中。

牙膏：在牙膏制造中可用作增稠剂。

液体洗涤剂：主要用于洗涤剂流变性的调节。