Целлюлоза представляет собой линейный полисахарид, состоящий из повторяющихся звеньев β-D-глюкопиранозы, соединённых β-1,4-гликозидными связями. Каждое звено содержит три гидроксильные группы, что определяет высокую полярность молекулы и способность к обширной водородной связи. Эти водородные связи формируют кристаллические и аморфные области макромолекул, придавая волокнам целлюлозы высокую механическую прочность и устойчивость к химическим воздействиям.
Макромолекулы целлюлозы ориентированы параллельно, образуя микрофибриллы диаметром 2–20 нм, которые агрегируются в более крупные волокна. Кристаллическая структура целлюлозы бывает двух основных типов: целлюлоза I (натуральная, с упорядоченной упаковкой цепей) и целлюлоза II (получаемая после переработки, более стабильная термодинамически).
Химия целлюлозы определяется активными гидроксильными группами на каждом глюкозном звене. Основные реакции включают:
Этерификация: Образование целлюлозных эфиров — ацетатов, нитратов, сульфатов. Эти реакции изменяют растворимость и механические свойства макромолекулы.
Этерификация с щелочами: Взаимодействие с алкилгалогенами или эпоксидными соединениями приводит к получению целлюлозных эфиров, изменяющих гидрофобность и вязкость.
Окислительные реакции: Частичное окисление гидроксильных групп до карбонильных или карбоксильных позволяет создавать функциональные целлюлозные материалы с реакционной способностью для дальнейшего химического модифицирования.
Гидролиз: Под действием кислот или целлюлаз происходит расщепление β-1,4-гликозидных связей с образованием олигосахаридов и глюкозы. Контролируемый гидролиз используется для получения целлюлозных нанокристаллов и микрофибрилл.
Наноструктурированная целлюлоза (целлюлозные нанокристаллы и микрофибриллы) характеризуется высокой удельной поверхностью и механической прочностью, что открывает возможности для использования в композитных материалах, фильтрах, биомедицинских имплантах и сенсорных устройствах. Биодеградация целлюлозы в природных условиях обеспечивает экологическую безопасность и устойчивость к накоплению отходов.
Высокая степень кристалличности и ориентация цепей определяют механические и барьерные свойства волокон. Модификация гидроксильных групп позволяет управлять растворимостью, гидрофобностью и химической реакционной способностью целлюлозы. Комбинация физических и химических свойств делает целлюлозу и её производные уникальным полимерным материалом с широчайшим спектром применений.