Элементарный состав целлюлозы следующий (%): углерод — 44,4, водород — 6,2, кислород — 49,4. Элементарным звеном макромолекулы целлюлозы является ангидроглюкоза С6Н10О3. Структурно целлюлозу можно представить себе как многократно повторяющиеся, связанные между собой силами главных валентностей (элементарные звенья ангидроглюкозы:
Глюкозные остатки в макромолекуле целлюлозы соединены между собой глюкозидной связью:
Цепь главных валентностей макромолекулы целлюлозы имеет следующую структуру:
Любой глюкозный остаток в цепи повернут относительно соседнего на 180°. Рентгенограмма показывает, что чередование одинаково расположенных глюкозных остатков повторяется по длине через каждые два на третий. Каждое элементарное звено макромолекулы целлюлозы — ангидроглюкоза — содержит три спиртовых гидроксила. Таким образом, целлюлоза по химическим свойствам является многоатомным спиртом.
По данным исследований, макромолекула целлюлозы содержит 10000—15000 остатков глюкозы (коэффициент полимеризации), молекулярный вес хлопковой целлюлозы приблизительно равен 1620000—2430000.
Макромолекулы в природной целлюлозе объединены в пучки, между которыми имеются микропоры. Пучки макромолекул соединены в свою очередь в фибриллы (тончайшие волоконца), а пучки фибрилл— в элементарные волокна. Микро- и макропоры заполнены воздухом.
Цепные макромолекулы целлюлозы сильно вытянуты в длину, ориентированы вдоль оси волокна.
В воде целлюлоза нерастворима, но при погружении в воду набухает, поперечное сечение ее увеличивается на 45—50%, а длина на 1—2%. Длительное воздействие пара разрушает структуру.
В органических растворителях (спирте, эфире, бензоле, ацетоне и др.) целлюлоза также не растворяется.
Минеральные кислоты — азотная, соляная, серная — гидролизуют целлюлозу, причем гидролиз происходит по глюкозидным связям. Промежуточное соединение, получающееся при этом, называется гидроцеллюлозой. Степень полимеризации целлюлозы в процессе гидролиза уменьшается, что вызывает понижение прочности волокна. Последнее становится хрупким и может быть растерто в порошок. Особенно интенсивно гидролиз протекает при повышении температуры.
Гидролиз можно представить как присоединение к молекуле целлюлозы воды:
Конечным продуктом гидролиза целлюлозы является глюкоза.
Органические кислоты гидролизуют целлюлозу слабо. Значительно устойчивее целлюлоза к щелочам. Действие последних на целлюлозу зависит от температуры обработки и их, концентрации. Концентрированные (более 10%) растворы едкого натра вызывают на холоду набухание хлопкового волокна и его усадку по длине. Образуется так называемая щелочная целлюлоза. Если обработку щелочью проводить при натяжении волокна, то волокно приобретает блеск; это обстоятельство используется на практике в процессе мерсеризации хлопчатобумажных тканей.Щелочная целлюлоза является непрочным соединением и при обработке водой превращается в гидратцеллюлозу, которая имеет меньшую степень полимеризации, более гигроскопична, интенсивнее окрашивается. Гидратцеллюлозу применяют в производстве вискозного волокна.
В аммиачном растворе окиси меди целлюлоза растворяется без разрушения макромолекул. Медно-аммиачные растворы целлюлозы используют в производстве медно-аммиачного волокна.
Растворы кислых солей и такие средние соли, как хлористый алюминий и хлористый магний, действуют на целлюлозу гидролизующе. В концентрированных растворах иодистого лития, роданистых лития, калия и кальция целлюлоза набухает, а при нагревании переходит в раствор.Восстановители не разрушают целлюлозу Окислители — гипохлорит и хлорит натрия, перекись водорода — действуют окисляюще на функциональные группы целлюлозы, причем первичные спиртовые группы переходят в альдегидные и дальше в карбоксильные. При этом происходит деструкция цепей с разрывом глюкозидных связей. На практике некоторые окислители (гипохлорит натрия, хлорную известь) используют в качестве белящих веществ и условиях, не вызывающих глубокого окисления. Чтобы при отбеливании не происходило сильного окисления целлюлозы, процесс ведут в слабощелочной среде и без нагревания белящего раствора.
Смесь различных продуктов окисления целлюлозы носит название оксицеллюлозы.
В результате глубокого окисления целлюлоза разрушается.
При действии света целлюлоза окисляется кислородом воздуха с образованием оксицеллюлозы. Первоначальная прочность волокна при инсоляции в течение 940 ч падает на 50%.
Целлюлоза неустойчива к процессам гниения и действию микроорганизмов, поскольку является питательной средой для некоторых групп микроорганизмов. Особенно энергично действие микроорганизмов проявляется в условиях повышенной температуры и высокой относительной влажности среды. Прочность волокна при действии микроорганизмов резко снижается.
Действие температуры на целлюлозу зависит от длительности нагревания и уровня температуры. Кратковременное пребывание при температуре 125—150° С не оказывает на целлюлозу заметного влияния, при длительном же воздействии начинается побурение волокна. Длительное нагревание при 100° С снижает способность волокна к набуханию, а следовательно, и к окрашиванию. При температуре выше 275° С наступает бурное разложение целлюлозы. Наконец, при температуре 400—450° С целлюлоза превращается в уголь.
Вообще целлюлоза воспламеняется легко и быстро сгорает с появлением запаха жженой бумаги.
По своей химической природе целлюлоза, как уже отмечалось, является многоатомным спиртом и может образовывать простые и сложные эфиры.
Эти эфиры имеют большое значение в текстильной промышленности. Так, некоторые простые эфиры, растворимые в воде, используют в шлихтовании; эфиры, растворимые в щелочах, применяют для образования несмываемого аппрета, а растворы эфиров целлюлозы в органических растворителях могут придавать тканям водоотталкивающие свойства. В настоящее время широкое распространение в текстильной промышленности получил карбоксиметиловый эфир целлюлозы — препарат КМЦ, который служит заменителем крахмала и используется для шлихтования основ как загуститель печатных красок и аппретирующее средство. Карбоксиметиловый эфир целлюлозы получают при действии монохлоруксусной кислоты на щелочную целлюлозу:
Сложные эфиры целлюлозы имеют большое значение в производстве искусственных волокон: ксантогеновый эфир перерабатывают в вискозное волокно, уксуснокислые эфиры — в ацетатное и триацетатное волокна.
