2羟丙基甲基纤维素的醚化反应原理
纤维素的醚化反应都是先将纤维素与碱和溶剂化剂（水）相互作用先生成碱纤维素，然后再将碱纤维素与醚化剂反应而生成纤维素醚。制备羟丙基甲基纤维素所用的醚化剂，在工业化生产中都采用环氧丙烷（甲基氧丙环）和氯甲烷，在催化剂碱的存在下与纤维素反应。由于碱有充分溶胀纤维素的作用，能使醚化剂快速渗入纤维素内部，来加快醚化反应而得到反应均一的产品。
在醚化反应中，纤维素上的羟基
取代后，接在纤维素上羟丙基还再会与环氧丙烷反应而发生链型聚合作用，从理论上来说，这连续接上羟丙基上的羟基，可以连续不断地与环氧丙烷发生反应，但同时氯甲烷除与纤维素上羟基反应外，还可与接上去的羟丙基上的羟基反应。因而，反应是复杂的。其反应可简单地用1mol纤维素基团与1mol氯甲烷和1mol环氧丙烷的反应式来表示如下：
实际上如在过量环氧丙烷存在下，上述已醚化的纤维素有可能发生下列反应：
同时如在过量的氯甲烷存在下，也能发生下列反应：
在一定条件下，根据反应基团的活泼性和反应条件，如纤维素对醚化剂的物质的量比例、环氧丙烷与氯甲烷的物质的量比，与反应温度、压力和时间等条件，最后在不同条件下，各有一个平衡。
同时过量的氯甲烷与碱反应发生的副反应如下：
当甲醇浓度在反应釜中较多时，生成副产物二甲醚。
同时环氧丙烷与水在碱存在下反应，而生成α-丙二醇：
这些副反应不但消耗了醚化剂，且增加了后处理的麻烦。
3羟丙基甲基纤维素的制备工艺
制备HPMC的技术路线有单间歇式和连续式2种。间歇式是将纤维素经碱化处理后，再经压榨、粉碎、熟成，而后在高压釜中与醚化剂进行醚化反应得到粗制品。连续式是连续碱化处理过程，纤维素不必进行压榨、粉碎和熟成，而是在一套连续设备中进行，并于高压管道反应器中进行醚化反应，连续进、出料。粗制品经中和、除铁、蒸煮、洗涤等工序得到成品。
液相溶媒法制备HPMC是将纤维素在存在有机溶剂的条件下碱化，然后加入氯甲烷和环氧丙烷醚化得到。实验室制备HPMC的条件如下。
将粉末状纤维素80g、NaOH26g、甲醇15g，加入950g甲苯一起制成浆粥，然后加入106g50% NaOH水溶液，加热30min后，将水和甲醇蒸馏除去，再加入氯甲烷120g、环氧丙烷10g，在60~120℃下醚化1.5h，得到HPMC其甲氧基取代度DS=2.0，羟丙基取代度MS=0.1，可溶于水。
羟丙基甲基纤维素的制备方法大多采用液相法。由于用此法制得的产品成品均匀性较好。它的制备工艺，大致与其它纤维素醚相仿，其流程示意图如图1。
氢氧化钠水溶液环氧乙烷和氯甲烷
甲酸或乙酸水溶液
或二氧化
图1羟丙基甲基纤维素的生产工艺流程
关于制备碱纤维素所用碱液的浓度，一般在35%~50%，纤维素与碱液的质量比为1：（0.5~2.6）。碱液用量比较小的是将碱液喷入，不经压榨即与纤维素进行醚化反应，碱液用量最小的是将50%的碱液加到大量惰性溶剂中，然后加入纤维素来制备碱纤维素。惰性溶剂在反应过程中有使热传导均匀和易于控制温度的作用，在反应完成后，可经共沸除去大部分水和副反应产生的有机化合物。
制备具有不同含量的甲氧基和羟丙基以及不同粘度的品种的羟丙基甲基纤维素的方法，可控制纤维素与不同量的碱和水的比例与不同老化时间和温度先制成碱纤维素，然后将碱纤维素与不同比例用量的氯甲烷和环氧丙烷于不同的温度和时间下反应，制备所需要的产品。反应温度，大多经一定时间分段升温，最后升至60~80℃，也有高至80~90℃；都是在自然产生的压力下（在2Mpa以上）进行反应；反应时间，一般在4~10h左右，反应时间和温度都可根据所制成品的要求来决定。
醚化剂氯甲烷和环氧丙烷的加入步骤：有将2种醚化剂分别加入的二步法，也有一次同时加入的一步法，也有将2种同时加入，反应一段时间后，再补加其中的一种。目前大多数采用的方法还是一次同时加入，较为方便。
4国外羟丙基甲基纤维素制备工艺介绍
（1）美国道化学公司（Dow Chem.Co.）制备低羟丙基含量（MS=0.05~0.2）和高甲氧基含量（DS=1.4~2.1）的羟丙基甲基纤维素，是将碱纤维素与大量氯甲烷和少量环氧丙烷反应而制得。这是种度产品品种，它的2%水溶液，于20℃的粘度在30 mpa•s以下，凝胶点接近于70℃。它的中粘度产品的粘度在40~80mpa•s，它的凝胶点在65℃左右。该产品适用于氯乙烯、偏氯乙烯和丙烯腈的聚合，也适用于氯乙烯与偏氯乙烯和丙烯腈与偏氯乙烯的共聚。
（2）德国Henkle and cie公司制备易溶于水中作胶粘剂用的羟丙基甲基纤维素的工艺，该工艺也属于低羟丙基含量和高甲氧基含量的类型。具体工艺如：先将10Kg亚硫酸法精制纤维素加入到35%碱液中，压榨至2.6倍，在室温下放置18h，投入到装有回流冷凝器的150L容积的高压釜中，用氮气冲洗后，导入1份环氧丙烷溶于6份氯甲烷中的混合液，经1h升温加热至60℃，再经2h升温至85℃后，维持该温度1h，此时产生的压力为2.2Mpa，停止加热，经冷却后，将釜中的氯甲烷除去，产品用95%的热水洗涤2次；离心甩干至含水量为60%，经冷却后，挤塑切成片状，经锤式粉碎机粉碎，并经空气干燥至含水量为9%，产品粒度为0.2~0.5，4%溶液的粘度为2pa•s，它在室温下不溶于水。
（3）德国Kalle公司采用连续醚化制备纤维素醚，如甲基纤维素或羟丙基甲基纤维素。该工艺中碱纤维素是采用双螺旋浆压榨机来制备的，它与醚化反应管相连接，醚化液由水压泵强制送入反应管中，反应管外有加热夹套，有热交换器调节液温，用泵循环使用，并具有回流冷凝器来保持反应管恒温，因为反应管内的压力在表压18~29大气压之间。反应物呈浓厚的悬浮液，必须具有压力释放旋转出料设备和旋转泵。出料物中包括纤维素醚，过量的醚化剂、二甲醚、氯化钠和其它副产物，经热水洗涤、离心分离，
所得纤维素醚以常规干燥方法干燥得产品，醚化剂经回收，调整醚化剂比例后加以回用。如将经粉碎的聚合度为500的纤维素在具有水冷却的连续混合器中与碱液混和，使成为含有26%NaOH、32%纤维素和42%水的碱纤维素。由螺旋压榨机使均匀导入反应器中，同时导入纤维素6倍量的含有5%环氧丙烷的氯甲烷，于80℃反应温度下，经40min后出料，得甲氯基含量为26%、羧丙基为3%和粘度为 1Pa•s（2%水溶液，26℃）的羟丙基甲基纤维素。
（4）美国道化学公司曾采用芳香族有机溶剂来作为稀释剂，以使反应中热传导均匀和易于控制温度，反应一经完成后，可经共沸除去大部分水分和副反应有机化合物。例如将3980份甲苯、392份固体NaOH和145份水，用氮气换去空气，然后将混合物在搅拌下加热至80℃，1h后，加入400份经粉碎的纤维素。这些混合物采取氮气保护并加热1h后，将混合物冷却到室温后，加入594份氯甲烷和101份环氧丙烷，然后加热至90℃，并保持此温度4h，反应完全后，开启反应釜，取样分析残余碱含量，加入足量甲酸中和残余的氢氧化钠，然后加水进行共沸蒸馏，其水量约为存在于混合物中的90%的理论量，然后将混合物冷却至70℃，再加甲酸调整PH至4~6，于70℃与乙二醛反应30min，从反应釜中取出反应物，经离心分离去除甲苯。产品于20~25℃以同量的水洗涤3次。经干燥和研磨得白色不溶于水的粉末。该产品使用时，只要加入碱性物后即溶解于水中。该产品含有
（5）羟丙基甲基纤维素与其它纤维素醚类产品一样可经酯化改性成为水溶性纤维素醚酯来改善它们的分散性、溶解速度、表面活性和泡沫稳定性等。例如将110份纤维素醚在含有约3份NaOH、约7.5份Ac2O的1000份70%的丙酮中混和成浆，并加热5min，得到产物羟丙基甲基纤维素醋酸酯，经洗涤和浸渍净化，然后干燥而得乙酰基含量1.2%的具有良好分散性的纤维素醚酯。
另外，经改性粉碎的羟丙基甲基纤维素，可用乙二醛与缓冲剂Na2B4O7•10H2O来处理，保持PH为7.5~9.5，可提高其在水中的快速溶解性能。
经改性制成的纤维素醚酯亦可改善成膜后的不透水性。例如将纤维素醚100份与乙酸200份，醋酸钠50份和四氢化钛酸酐140份于80℃反应2h后，再与65℃反应3h，然后加水1600份，所得羟丙基甲基纤维素钛酸酯含有四氢钛酰基1.65/无水葡萄糖基团，它所制得的膜对蒸汽的不透气性，可用于药片和染料的基料中。
（6）Dow化学公司曾在1977年报道采用连续反应器制备高粘度低羟丙基值的羟丙基甲基纤维素的制备方法，例如经每小时将粉状纤维素20份与50%NaOH40份，环氧丙烷90份和氯甲烷200份的速度加入于反应釜中，保持80℃温度，约30min和约在207×104Pa表压下得羟丙基甲基纤维素。所得成品具有甲氧基27.5%和羟丙基6.5%，它在2%水溶液中的粘主工1.4Pa•s.
5取代基及其分布
工业上的HPMC产品呈白色粉末状或白色疏松纤维状，具有与MC相类似的冷水溶解、热水不溶的特性，其甲氧基取代度DS为1.3~2.0，羟丙氧基的摩尔取代度为0.1~1.0，当取代度（DS）低于1.4时，在水中的溶解度下降，但可溶于2%~8%的NaOH溶液中；摩尔取代度（MS）高于2.0时可溶于极性有机溶剂中。调整醚化剂中氯甲烷与环氧丙烷的量，可改变取代度及其比例。经测定，C（2）、C（6）位上羟基的取代大于C（3）位上羟基的取代。
如同MC一样，HPMC有热凝胶效应，HPMC的胶凝性质与取代度及2种取代基的比例有关，见表5-8.通常，DS增加，胶凝温度下降。
表5-8MC和HPMC的胶凝温度和DS关系
|
品种 |
甲氧基DS |
羟丙氧基MS |
凝胶温度/℃ |
|
MC |
1.6~2.0 |
|
48 |
|
HPMC |
1.8~2.0 |
0.1~0.3 |
56 |
|
HPMC |
1.1~1.6 |
0.0~0.3 |
70 |
HPMC依甲和羟丙氧基取代百分含量的不同有很宽的粘度范围（表5-9），可供各种使用目的之用。
表5-9HPMC的粘度范围
|
取代基含量 |
胶凝点/℃ |
粘度范围/（mPa•s） （20%溶液20℃） |
商品名称 |
|
|
甲氧基/% |
羟丙氧基/% |
|||
|
28~30 |
7~12 |
60 |
15~4000 |
Methocel E Metolose 60 SH |
|
27~30 |
4~7.5 |
65 |
50~4000 |
Methocel F Metolose 65 SH |
|
23 |
10 |
65 |
10~400 |
Celacol HPM |
|
19~24 |
7~12 |
75 |
35~15000 |
Methocel K Metolose 90 SH |
|
16.5~20 |
23~32 |
约70 |
5000~75000 |
Methocel J |
.6羟丙基甲基纤维素的纯化
由于HPMC有热凝胶化性质，所以，纯化方法类似以MC。HPMC的凝胶温度一般为50~85℃，所以，可用90℃以上的热水进行洗涤纯化。另一种方法是采用二乙醛微量交联的方法，当PH＜7时，这种产物不溶于冷水，所以，可用水进行洗涤纯化，除去盐等水溶性杂质。当体系中PH＞8.5时，这种交联立刻被水解而消失，这样经纯化的HPMC又可正常溶于冷水中，但用第二种方法纯化的产品，通常不用于食品、医药和化妆品等产品中。
7羟丙基甲基纤维素的分析测试
羟丙基甲基纤维素的分析项目，有甲氧基含量、羟丙基含量、粘度、水分、灰分、氯化物、碱度、含铁量、重金属含量、PH值、固体含量和相对密度等。其中甲氧基含量和羟丙基含量的测定较甲基纤维素和羟丙基纤维素中测定该2项目的操作步骤复杂得多，因为羟丙基甲基纤维素是混合醚，必须将该2项目的测定的结果加以校正后，才能得到2项目的正确结果。有关这些项目的具体的分析操作步骤，可参见1976年出版的美国试验与材料学会标准（ASTM）中的羟丙基甲基纤维素测试的标准方法。
如按不同应用上的要求，还有一些特定的测试项目，如盐析点的测定和纤维率的测定等。
（1）羟丙基含量的测定采用铬酸氧化性，使它氧化为乙酸，然后按标准方法用碱滴定而得未校正的羟丙基含量（%），然后必须以同样方法测定甲基纤维素空白样品的羟丙基值而得校正的羟丙基含量。
（2）甲氧基含量的测定采用氢碘酸使成为烷基磺，用二氧化碳气流带走，经过冷凝器，最后用溴液、乙酸和醋酸钠吸收。烷基碘被吸收后，氧化为烷基碘酸酯。过量的碘用甲酸还原；碘酸盐的测定，采用碘化钾和标准的硫代硫酸盐的碘量测定法。
甲氧基含量（单位为%）的计算如下：
总甲氧基含量（甲氧基+羟丙基甲氧基计算）={[(A－B)C×0.00517]/D}×100
式中：A—Na2S2O3溶液滴定样品的品种，ml；
B—所需Na2S2O3溶液滴定空白的体积，ml；
C—Na2S2O3的物质的量浓度，mol/L;
D—样品质量，g。
总的甲氧基含量代表总的甲氧基和作甲氧基计算的羟丙基值，因此总的烷氧基必须用（1）节中所得的羟丙基含量来校正得到校正的甲氧基含量。而羟丙基含量应先用常数K=0.93（得自大量样品经用Morgan法测定的平均值）由HI与羟丙基反应生成的丙烯进行校正。因此：
校正的甲氧基含量=甲氧基含量－（羟丙基含量×0.093×）
（3）粘度测定在ASTM中，仍采用乌氏（Ubbelohde）粘度计。将干燥的样品配制成2%的溶液于（20±0.1）℃进行测定。粘度的计算如下：
V=Kdt
式中：V—粘度，mpa•s；
K—粘度计算常数；
d—样品溶液的相对密度；
t—溶液通过粘度计上、下刻度的时间，s。
（4）含水量的测定包括羟丙基纤维素中能挥发的含量在内，一般习惯都以水分来表示。将样品于100~105℃的烘箱中干燥2h，经冷却后称重进行计算：
含水量（%）=（A/B）×100
式中：A—样品加热后，失去物质的质量，g；
B—所用样品的质量，g。
（5）灰分的测定将干燥的样品先经硫酸和硝酸润湿，再经灼烧后，残余的灰分作硫酸盐的含量计算，残余的灰分保存后，进行重金属测定。
硫酸盐灰分（%）=×100
式中：A—硫酸盐灰分的质量，g；
B—所用样的质量，g。
（6）氯化物的测定包括羟丙基甲基纤维素中作氯化物计的总的氯化物百分数（如有溴化物也在包括在内）。样品按常规方法溶解后加入一定量的硝酸银和铁明矾指示剂，用KCNS溶液回滴，按下式计算：
氯化物含量（作氯化钠计算）={[(AB－CD)×0.0585]/E}×100
式中：A—AgNO3溶液体积，ml；
B—AgNO3溶液物质的量，mol；
C—所需KCNS溶液回滴过量的AgNO3的体积，ml;
D—KCNS物质的量浓度，mol/L；
E—所用样品质量，g。
（7）碱度的测定包括羟丙基甲基纤维素中的总碱度以Na2S2O3表示。按常规将样品用热水溶解后加入指示剂甲基紫，用0.05mpl/L H2SO4滴定。
碱度=[（AB×0.053）/C] ×100
式中：A—所需滴定样品的H2SO4的体积，ml；
B—H2SO4的物质的量浓度，mol/L；
C—所用样品质量，g。
（8）含铁量的测定包括样品中的总铁含量，所含的铁经转化为硫酸铁[Fe(SO4)3]后，它能与指示剂反应呈品红色来作定量分析。铁含量可直接以预制的标准铁含量校正曲线上的数值，减去空白中的铁含量，即可得到所需数值。
（9）重金属的测定可将硫酸盐灰分测定的歼余灰分，加稀盐酸在水浴上煮解后，移入试管内用一定量的水稀释，加入H2S溶液，与预先配制的含有已知量硝酸铅的溶液加入H2S后，作比较，前者暗于后者为及格。
（10）固体含量的测定将样品溶液放置于长形有刻度的油管内经离心后，从刻度管读出固体容积的百分数。
（11）PH测定将测定粘度的溶液，用适宜的PH仪进行测定。
（12）相对密度的测定是测定羟丙基纤维素的松密度，将50g粉状羟丙基甲基纤维素放置于250ml有刻度的圆筒内，经振摇3min后，观察粉状物紧缩面的刻度。
松密度=50／观察读数
（13）盐析点的测定同乙基羟乙基纤维素的测定。采用粘胶工业生产过程中粘胶成熟时所用的测定盐析点的常规方法，将一组递增浓度的盐溶液配制于烧杯中，保持于20℃恒温下，将数滴纤维素醚类溶液滴于每只烧杯中，观察纤维素醚溶液，如立即分散，但留下高度膨润的凝胶并成为凝胶层时的浓度，作为盐析的絮凝点。
（14）纤维素的测定关于羟丙基甲基纤维素经纯化后，测定其中存在的纤维率的方法，是将纯化的样品溶于水中，配成2%的溶液，在偏光光线下，与一组预先配制含有递增量悬浮的纤维素纤维的纤维素醚溶液作比较。纤维率标度自0~8分为8级。
