赵  明¹，吕少一²

（1. 北京北方世纪纤维素技术开发有限公司，北京 100081；

2. 北京理工大学 材料科学与工程学院，北京 100081）

 

摘  要：论文综述了国内外羟丙基甲基纤维素生产技术、市场与应用技术发展现状。目前欧美等发达国家更多地采用气相法工艺生产HPMC，单批产量高，反应时间短，劳动强度小；国内生产以液相法工艺为主，反应器通常在15m³以下，劳动强度大，但对设备承压要求低，危险性小。欧美的HPMC市场已较为成熟，CMC与HPMC消费量各占50%；随着中国经济的发展和技术水平的提高，HPMC市场处于快速增长阶段，消费量会逐步追平CMC.欧美由于生产HPMC较早，应用技术较为丰富；国内HPMC应用技术刚刚起步，但随着国内城镇化进程的加快和人民生活水平的提高，建筑、食品和医药将是HPMC应用增长最快的领域。随着技术的发展和市场的拓宽，在未来10年内，国内将会出现几家象美国DOW化学公司和赫克力士公司一样的大企业或跨国公司，并带领国内各纤维素醚企业向前发展，形成百花齐放，百家争鸣的局面。

关键词：羟丙基甲基纤维素；生产技术；市场；应用技术

中图分类号：O636.11      文献标识码：A    

 

      羟丙基甲基纤维素（Hydroxypropyl Methyl Cellulose， HPMC）是近年来产量、用量与质量都在迅速提升的纤维素混合醚品种，是由棉、木经碱化、环氧丙烷和氯甲烷醚化等过程制成的非离子型纤维素混合醚，HPMC分子结构为[C₆H₇O₂(OH)_3-m-n(OCH₃)_m(OCH₂CHOHCH₃)_n]_x。由于HPMC中甲氧基与羟丙基含量的比例不同和黏度不同、产品取代的均匀性不同，因而成为在性能上有差异的不同品种和不同档次的产品。HPMC具有良好的分散、乳化、增稠、黏结、保水和保胶性能，溶于水，也能溶于70%以下的乙醇、丙酮中，特殊结构的HPMC还可直接溶于乙醇。HPMC可广泛用作医药制剂的薄膜包衣、缓释剂和黏结剂，也可利用其增稠、分散、乳化成膜性能广泛用于石油化工、建筑材料、陶瓷、纺织、食品、日化、合成树脂、医药、涂料和电子等多个领域中^[1]。

      由于综合性能优越、应用面广，HPMC已经在我国接近10万吨/年，且还在不断上升；由于企业间工艺与设备差异，性能与品质不尽相同不同，在应用过程中 HPMC行业又凸显出亟待规范与缺乏深入研究等问题。本文综述了国内外羟丙基甲基纤维素生产技术、市场与应用技术发展现状，包括HPMC生产技术，设备发展情况，HPMC市场现状以及产品应用技术现状。

      作为用量最大、品种最多、应用领域最广的纤维素非离子型醚，随着市场应用范围的不断扩大、应用领域对产品质量要求的不断提高，HPMC的生产技术与工艺也经历一个漫长和曲折的过程。HPMC生产、应用过程的多样性、复杂性和永无止境品质的追求也从侧面展示了我国纤维素醚行业的发展历程。

      纤维素醚首次报道于1905年，是由Suida将碱溶胀的纤维素与硫酸二甲酯反应而制得，但当时未能得到完全分离的纤维素醚；1912年，首次出现有关制备纤维素醚类的专利；1927年，羟丙基甲基纤维素合成和分离成功；1938年Dow Chem. 又实现了甲基纤维素工业化生产并创造了驰名商标“Methocel”；于1948年在美国进行羟丙基甲基纤维素大规模工业生产，并于1960～1970年生产工艺达到成熟^[1，2]。目前世界上比较先进的HPMC生产公司主要有美国道化学公司(Dow Chemical Co.)、赫克力士公司(Hercules Co.) 、德国克莱力特公司(Clariant Co.)。日本信越化学(Shinetsu Chemical Co.)、韩国三星精细化学公司(Samsung Fine Chemical Co.)分别从美国道化学公司和德国罗地格公司(Loedige Co.)引进技术与设备^[3]。

      HPMC的生产工艺可分为两大类：气相法和液相法。目前欧美日等发达国家更多地采用气相法工艺，以木浆粕为原料（生产高黏度产品时采用棉浆粕），碱化和醚化在同一反应设备中进行，主反应为卧式反应釜，内部有专为纤维素醚生产设计的中心横向搅拌轴和侧面旋转式飞刀，可获得很好的混合效果。反应过程采用先进的自动控制手段，能够精确地控制温度和压力。反应完成后，多余的氯甲烷和副产的二甲醚以气态的形式进入回收系统，分别回收重复利用。精制纯化处理在连续的旋转压滤机中进行。粉碎在高效成品粉碎机中进行，同时干燥，去除多余水分。混同包装等辅助工序也是在自动控制系统下完成。

      气相法工艺具有如下优点：设备紧凑，单批产量高；反应温度较液相法低，反应时间较液相法短；反应控制较液相法精确；不需要复杂的溶剂回收系统；人工费用低，劳动强度小。

但该工艺也有如下缺点：设备和自动控制投资大，技术含量高，投资建设费用大；由于自动化程度要求较高，所以对操作人员素质要求特别高，而且一旦发生故障，容易发生重大事故，通常一处出问题，会导致全线停产。

      目前国内HPMC的生产以液相法工艺为主，此工艺是我国以无锡市化工研究设计院有限公司为代表的研究单位在20世纪70年代研究成果的基础上推广的，最初是气相法醚化反应，因为我国设备不适应，后来研究出了液相法醚化反应，至今高浴比的液相法醚化反应工艺路线仍然是象山东赫达、山东瑞泰、山东一滕等纤维素醚生产企业的主要HPMC生产工艺^[1，4]。

      国内HPMC生产一般采用精制棉为原料（部分厂家也开始尝试用木浆粕），并用国产的粉碎机粉碎或直接使用精制棉碱化，醚化使用二元混合有机溶剂，在立式反应器中进行反应。精制纯化处理采用间断式工艺，即在反应器中脱除有机溶剂，然后通过洗涤器和离心机经过若干次洗涤和脱水来纯化粗产品。成品处理采用间歇式，造粒在升温情况下进行(也有厂家没有进行造粒)，干燥和粉碎采用常规方式进行，大部分进行的特殊处理仅仅是对产品延迟水合时间(快速溶解)的处理而没有进行防霉变和复配处理，包装采用手工方式^[5]。

      液相法工艺具有如下优点：反应过程设备内部压力小，对设备承压能力要求低、危险性小；纤维素在碱液中浸渍后得到充分膨润和被碱化均匀的碱纤维素，碱液对纤维素渗透溶胀较好；醚化反应器较小，再加上碱纤维素得以均匀溶胀，所以产品质量容易控制，可获得取代度和黏度都比较均匀的产品，品种也容易更换。

      但该工艺也有如下缺点：反应器通常不能太大（15m³以下），统计受限导致生产能力也小，若要提高产量，势必增加多台反应器；精制纯化粗产品需要设备多，操作繁杂，劳动强度大；因为没有进行防霉变和复配处理，致使产品黏度稳定性和生产成本受到影响；包装采用手工方式，劳动强度大，人工费用高；反应控制的自动化程度比气相法工艺低，因而控制的精确度也相对较低；与气相法工艺比较，需要复杂的溶剂回收系统。

      随着国内HPMC生产技术的提高，部分企业通过不断的自主创新，大型釜的液浆法得到了长足的发展，并拥有了自己的技术特色。山东赫达股份有限公司采用独创的“一步法”HPMC生产工艺，不仅生产工艺流程合理，操作控制参数准确可靠，充分合理的利用原材料等特点，而且生产出的产品取代度均匀、反应完全彻底、溶液透明度好，并同时保证了产品质量的稳定^[6]。还有，包括赫达在内的一些企业的HPMC生产线已完成自动化改造，实现了装置的DCS自动化控制要求，物料包括液、固体原料均可利用DCS系统进行精确计量和加入，反应过程中的温度、压力控制也全部实现DCS自动控制和远程监控，从产品生产的可行性、可靠性、稳定性、安全性方面较传统生产方式都有明显的改进。不仅节省了人力，降低了劳动强度，也改善了现场的操作环境。

      上海惠广精细化工有限公司是国内第一个引进具有国际领先水平的大型HPMC反应与纯化设备的柔性生产线，生产线引进德国进口设备，反应器是25m³的卧式设备，碱化和醚化反应在同一个设备中进行，采用DCS中央控制系统。通过消化吸收国际先进技术，目前HPMC产品型号和规格齐全，产能也得到大幅度提高。湖州展望药业化学有限公司拥有多年药辅生产经验，大胆采用粉碎、脱溶洗涤等德国设备，建立了与药辅生产相适应的生产管理体系与质量保证体系，生产中各类软件参照GMP要求实施，硬件正在实施GMP规范要求。

      2011年全球纤维素醚生产总能力已超过100万t/a左右。根据2009-2011年全球和国内建材、医药、食品与日化领域的使用量，推算出了2009-2011年全球和国内建材级、医药级、食品级和日化级MC/HPMC的市场需求量，见表1。

                  表1  2009-2011年全球及国内MC/HPMC需求量明细              万t

 

      经过多年的发展，发达国家的HPMC市场已日趋成熟，发展中国家的市场仍处于成长阶段，是未来全球HPMC消费增长的主要推动力。2011年，全球 MC/HPMC的需求量为28.8万吨，消费量为25.65万吨，其中，建材级消费量最多，为16.5万吨，其次是日化级和医药级，消费量分别为3.2万吨和2.8万吨，食品级消费量达到2.65万吨，其它消费量比较少。 2011年全球MC/HPMC消费情况见图1。

      全球对HPMC药用辅料的需求，美国、英国和日本在内的成熟市场合计占据了30%的份额。美国是全球最大的药用辅料单一需求市场，2009年占全球需求量的15.9%。其中，稀释剂是最大的需求类别。市场调研机构BusinessInsights公司预计，2009～2015年，全球药用辅料需求量将以 4.9%的复合年增长率增长。包括美国、英国和日本在内的成熟市场的增长率将为3.8%，而新兴市场尤其是中国、印度和巴西将以更快的6.3%的速度增长。

图1  2011年全球MC/HPMC消费情况

 

      最近几年，全球干粉砂浆的生产增长非常快，目前年产已超过1亿吨。这样的增长大部分出现在东欧、俄罗斯、迪拜和中国等国，在这些国家里，使用诸如干粉砂浆等预加工品，建筑技术逐步由劳动力密集型走向更为工业化的道路。干粉砂浆工业在欧洲是最发达的，2004年几乎全球的需要量的一半（约9000万吨）是在欧洲产生的。在欧洲，干粉砂浆厂使用超高速混料器，每批可以在三分钟之内均匀混合一吨原料，年生产能力已经能够达到50万吨，最大的日产量可以达到 20000袋。干粉砂浆产业的前景是非常乐观的，任何变革都会赋予它新的特征。另外，HPMC在日化和胶粘剂等应用领域的需求量将继续增加。

      目前，美国MC/HPMC的市场已基本饱和，近年来市场增长比较缓慢， 2006年的消费量为3.05万t， 2011年消费量为3.49万t， 其中60%的产品用于建筑行业， 约为1.87万t^[7]。美国MC/HPMC的消费构成及2015年预测如表2。从表中可以看出，建筑业和食品及医药等行业是美国MC/HPMC市场发展的主要推动力，而聚合物行业的需求将保持不变。

表2  美国MC/HPMC消费构成及预测

 

      西欧MC/HPMC的消费市场进入平稳期， 因此近年来西欧纤维素醚的消费量增长比较有限。2006年， 西欧MC及其衍生物的消费量为6.7万t， 2011年消费量为7.4万t^[7]， 约占纤维素醚总消费量的29%， 最大的消费领域也是建筑业。

近年西欧MC/HPMC的消费构成及预测见表3。

表3  西欧MC/HPMC消费构成及预测

 

       目前，中国纤维素醚市场仍然以离子型产品(CMC)为主，非离子型纤维素醚(MC、HPMC、HEC等)总消费量还偏低，而在欧美发达国家，这两类产品的消费量各占50%^[5]。由于非离子纤维素醚耐盐、耐热性好，又具有适当的表面活性，很适应现代崇尚趋势，发展十分迅猛。2010年，我国非离子型纤维素醚的总产能达到16万 t／a，年产量约为8万t。2010年非离子型纤维素醚总消费量为7.7万t，MC／HPMC的消费量为6.7万t左右，此外HEC及衍生物消费量约为 1.0万t^[8]。2009-2011年国内建材级、医药级、食品级和日化级MC/HPMC的市场需求量见表1。现在我国非离子型纤维素醚商品品种已较全。2011年国内建材级、医药级、食品级和日化级MC/HPMC的市场总需求量为9.92万吨，建筑领域需求量最大，为7.18万吨，占72.4%，其次是食品领域，为1.1万吨，占11.0%，各领域的需求情况见图2。

图2  2011年我国MC/HPMC需求情况

 

      表4为甲基纤维素醚在各应用领域2010年的消费量、比例与2015年需求预测^[8]。

      生产医药级、食品与高分子聚合级HPMC对生产工艺与技术具有更严格的要求。山东瑞泰公司因介入市场早、产品品种全、质量稳定、故在国内外一直占有很大市场份额。山东赫达公司与瑞泰公司生产规模相当，也随着产品质量的不断升级，在医药级的产品市场份额持续增长，特别是最近几年，随着产量的提升，已在医药级市场有较大影响。湖州展望天明药业有限公司是生产医药级HPMC 较早的企业，具有丰富的医药级HPMC生产经验，主要生产低粘度的HPMC，终端药厂客户较多，近年来也在不断扩大生产规模。山东光大科技发展有限公司、四川泸州北方化学工业有限公司的HPMC产品也有医药级在市场销售。目前在国内市场，美国DOW化学公司、日本信越等公司始终占有部分药品领域，尤其是象陶氏化学等一些大型纤维素醚企业，其规格齐全、质量稳定，受到市场的欢迎。为了替代国外产品，中国纤维素醚企业加大研发力度，取得可喜的成绩，如山东赫达公司2011年成功研制出了“缓控释用羟丙基甲基纤维素”产品，其工艺技术达到国内领先水平，现已有少量厂家使用，并有多家进入试验阶段，产品从中端进入了高端，2012年将达到500吨产能，该产品研发成功有利于打破进口产品垄断国内市场的局面。

表4  中国甲基纤维素醚（主要是HPMC）在各应用领域的消费量与需求预测^[8]

 

      在食品上，国内也开始规模使用HPMC产品，山东赫达公司和瑞泰公司等已将HPMC应用于植脂奶油行业，并在逐步增大在此领域的销售份额。

      在HPMC建材领域，赫克力士天普、赫达公司、瑞泰公司、山东一滕、天盛公司、浙江中维公司、湖州展望公司和上海惠广公司在国内市场中处在较前的位置，树立了自己的品牌优势、渠道优势和服务优势，并站稳了脚跟。最近几年，河北志诚、光大、创峰、海申、邹平福海和富强等公司发展速度很快，其产品品质无论从外在形式还是从内在质量各个方面都有质的提高，尤其在建材应用方面和上述公司已差别不大。国外陶氏化学、日本信越、德国拜耳和克莱恩的HPMC产品虽然价格较高，但由于质量稳定和应用技术支撑完善，在国内也还有一定市场份额，不过随着国内建材领域HPMC的应用技术不断规范与完善，国内产品质量不断提高，国外HPMC生产企业在性价比上优势将不断减弱，主动调整其产品价格或开发更高端产品与市场将是必然的。

      瓜耳胶醚是由天然瓜耳豆经改性而成的一种性能较为特殊的淀粉醚。主要由瓜耳胶与丙烯酸基官能团发生醚化反应，生成含有2-羟丙基官能团结构，是一种多聚半乳甘露糖结构。

      与纤维素醚相比，瓜耳胶醚更容易溶于水。pH对瓜耳胶醚的性能基本上没有影响；在低粘度、少掺量的条件下，瓜耳胶可以等量取代纤维素醚，而具有相近的保水性。但稠度、抗垂挂性、触变性等明显改善；在高粘度、大掺量条件下，瓜耳胶不能代替纤维素醚，二者混合使用会产生更优异的性能；瓜耳胶应用于石膏基砂浆中可明显降低施工时的粘着性，使施工更滑爽。对石膏砂浆的凝结时间和强度，无不利影响；瓜耳胶应用于水泥基砌筑和抹灰砂浆中可等量替代纤维素醚，并赋予砂浆更好的抗垂挂性、触变性和施工的滑爽性；瓜耳胶还可用于瓷砖粘结剂、地面自流平剂、耐水腻子、墙体保温用聚合物砂浆等产品中；由于瓜耳胶价格明显低于纤维素醚，砂浆中使用瓜耳胶会带来产品配方成本的明显降低。

       瓜尔胶醚分子的最大特点也即最大优点便是与纤维素醚结构非常相似,这种相似性使它对纤维素醚有很强的亲和性,称之为直接性。正因为有此优点，决定了在大多数应用领域纤维素醚和瓜尔胶醚是一起使用的，这样可以使企业在提高应用效果的同时降低成本，同时也说明瓜尔胶醚较少单独使用，但纤维素醚在各应用领域可以单独使用而达到其应用效果。因此两者会在市场中共同存在，并以纤维素醚为主。

      醚化淀粉是淀粉分子中的羟基与反应活性物质反应生成的淀粉取代基醚，包括羟烷基淀粉、羧甲基淀粉、阳离子淀粉等。由于淀粉的醚化作用提高了粘度稳定性，且在强碱性条件下醚键不易发生水解，因此，醚化淀粉在许多工业领域中得以应用。羧甲基淀粉(CMS)是阴离子型的天然产物的变性体，是能溶于冷水的天然高分子聚电解质醚。目前CMS已广泛应刚于食品、医药、石油、日用化工、纺织以及造纸和粘合剂、涂料工业。 　　

      在食品工业中，CMS对人体无毒无害，可作为品质改良剂用于面包和糕点加工，制成品具有优异的形状、色泽和味道，用于果酱、沙司、肉汁等食品中，可使其平滑、稠浓、透明；CMS还可作食品保鲜剂。在制药行业CMS作片剂崩解剂，血浆体积扩充剂，滋糕型制剂的增稠剂及口服悬乳剂的药物分散剂。尤其随着国家有关部门将药片崩解速度定为必检项目，CMS的使用将大量增加。CMS作为泥浆降失水剂在油田业中得到广泛使用，它具有抗盐性，可抗盐至饱和，并具有防塌效果和一定的抗钙能力，是一类优质的降失水剂。不过由于抗温性较差，只能用于浅井作业。CMS用于轻纱上浆，具有分散快速、成膜性好、浆膜柔软、退浆容易等特点，CMS还可用于各种印染配方中作增粘剂和改良剂。CMS在纸张涂布中用作粘着剂，可使涂料具有良好的均涂性和粘度稳定性。它的保水性能控制粘合剂对纸基的渗透，使涂布纸具有良好的印刷性能。此外，CMS还可用于煤浆和油煤混合燃料浆减粘剂，使其具有良好的悬乳稳定性和流动性。还可作水基乳胶漆的增粘剂、重金属污水处理鳌合剂、化妆品中皮肤清洁剂等。

      但从黏度、保水性、抗霉性等性能上比较，CMS还是无法替代HPMC等纤维素醚的。另外，淀粉醚经常与纤维素醚一起使用，使这两种产品性能与优势互补，并使应用具有较好的协同效果，特别是两者在干混砂浆中共同使用，可赋予较高的增稠性，更强的结构性，抗流挂性和易操作性，同时降低了成本。因此，纤维素醚和淀粉醚也会在市场中共同存在，并以纤维素醚为主。

      纤维素醚在洗涤剂、涂料、建筑产品和油田处理剂等大宗消费领域的消费量占整个纤维素醚市场的份额大于50%，余下的消费领域非常零散。纤维素醚的消费占这些领域原材料消费量的比重很小。因此，这些终端企业都无意进行纤维素醚的生产而是从市场上购买。

       HPMC的应用领域极其广泛，其应用效果与其性能有直接关系，而其性能又取决于HPMC的基本化学结构，虽然HPMC就是羟丙基甲基纤维素的总称，但由于原材料、配方和生产工艺的差异，就导致其理化指标（甲氧基取代度（DS）、羟丙氧基摩尔取代度（MS）、基团分布、产品的粘度、灰分、水分、透光率、凝胶温度、水不溶物、pH值、假比重与细度等）存在差异，致使各个企业的产品应用效果有差异，导致HPMC在应用过程中效果出现不稳定，对一些应用领域，如高分子聚合、医药及电子领域具有严重的负面影响。

      目前国内大多数纤维素厂家对HPMC结构的测试方法比较陈旧，也不统一，如何准确快速测定HPMC取代基含量，一直受到关注。一直以来采用的化学滴定技术，测试耗时、繁琐，且人为因素多，国内企业象科宏、赫达、一滕、湖州展望及泸州北方等已采用了气相色谱技术进行基团含量的测试。实践证明，该方法准确省时方便重复性好。该测试方法在《中国干混砂浆纤维素醚质量标准》^[9]得到详细描述与标准化。

      另外，对于研究纤维素醚的结构来说，测定DS和MS是远远不够的。几十年来，各国科学家们都在探索不同产品其取代基在葡萄糖单元2、3、6位及在整条聚合物链上的分布。

      对于这方面的研究国外早已有报道。如Yasuyuki Tezuka等^[10~13]利用¹H-NMR和¹³C-NMR方法对HPMC和HPC结构进行了研究。由于这些纤维素醚不溶于常规的有机溶剂，所以采用先将其乙酰化，再用¹³C- NMR分析，通过分析乙酰化衍生物的结构来分析表征HPMC的结构。研究得出：在醚化反应的初始阶段，位于C2位的羟基基团与环氧丙烷的反应速度最快，而 C6位的羟基是逐渐地被消耗，直到其取代度达到与C2位在后来阶段的水平。C3羟基基团与环氧丙烷的反应速度最慢，即O-2>O-6>O- 3。另外，这种方法得到的也只是取代基在葡萄糖单元2，3，6位上的分布，取代基在高分子链上分布的信息无法获取。

      高效液相色谱（HPLC）和凝胶液相色谱（GLC）都能分离和定量分析纤维素衍生物的水解产物^[14]。Brownell和Purves^[15]利用纸色谱仪法来分离水解产物。然而，这种方法下一些醚并不能得到很好分离，尤其是那些在同一位置带有不同数量氧乙烯基团的产物。Croon和 Lindberg^[16]利用水解产物在碳-塞里柱上分级流出方法将产物进行了很好的分离。低速率是得到很好的分离的前提，因此这种方法非常消耗时间。Lott和Brobst^[17]利用气液色谱分析羟乙基淀粉糖的水解产物。但是由于许多单体发生重叠，色谱图的解析非常困难。Olle Ramnas和Olof Samuelson^[18]等采用了一种分析非离子型纤维素醚的新方法。首先是将样品在硫酸中水解，再通过气液谱分离水解产物，然后在离子交换柱上进行组分的分离。最后通过质谱分析来研究水解产物各组分的量，得到取代基在C2、C3、C6位的取代。

      1988年，Tanaka和Hillenkamp两组科学家分别提出使用基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI-MS）后才使得激光解析电离质谱（LDI-MS）应用于生物大分子的分析得到发展。MALDI-MS和 ESI-MS都是近年来研究最多，应用广泛的软电离技术。 MALDI通常与飞行时间质谱（TOF-MS）联用。激光解析技术，通过激光束与固体样品分子的作用使其产生分子离子和具有结构信息的碎片，可以用来研究结构复杂，不易气化的大分子。电喷雾质谱（ESI-MS）是一种使用强静电场的电离技术，上世纪80年代首次成功用于蛋白质的分析^[19]。近年来，不少国外研究者将这些技术也应用到了纤维素醚的结构分子中。

      Adden等人^[20，21]将HPMC和HEMC 随机水解成聚合度（DP）1~5的低聚物，再经适当处理后，用MALDI-TOF-MS定量分析样品的甲基及羟烷基沿着聚合物链的分布。方法关键是样品的处理，以HPMC为例，样品在用质谱分析之前需要经过全氘甲基化（MeI-d3），部分酸解（三氟乙酸），还原胺化（n-丙胺），最后再完全甲基化（MeI）得到O-烷基，N-烷基化的低聚糖。过程如图3。

      完全氘甲基化的原因：（1）保护自由羟基。因为自由羟基的极性与取代基的极性有很大区别。（2）阻止水解时副反应的发生。因为自由羟基的存在会促使副反应发生，这些副反应会使不同稳定性的糖苷键的差别减小，对后续的部分无规水解产生影响。另外，对样品进行氨基季铵化，信号强度可以提高10倍，使得谱图清晰，具有良好的信噪比。

      随着各种软离子技术的和质谱联用技术的发展，MS成为研究生物大分子如蛋白质，核酸和多糖的结构，低聚糖序列，键结合位置等信息的强有力技术。但是，对于质谱中的碎片离子裂解机理还尚有许多不明之处，还需要科学家们进一步的研究探索。还有，质谱分析的样品前处理过程繁琐复杂，要求高，对现有的实验室条件是很大的挑战。

图3  MS分析前HPMC的样品处理过程

      HPMC的分子聚合度，与其原材料精制棉一样也是个平均值，且在碱化与醚化过程中，由于设备与物料形状、搅拌形式以及工艺过程的差异，使得产品具有极其明显的不均一性，作为一个典型的纤维素非离子型混合醚，其基团含量在不同的大分子链上、在每个葡萄糖环位置不同的C上，甲氧基、羟丙氧基的分布比例具有较大的分散性与随机性，使得产品的质量稳定性永远是难以保证的。同时，在相同理化指标下，产品均匀性决定其应用指标，而影响产品质量均匀性的最主要因素是生产单台设备性能、设备主题布局以及工艺条件等。生产过程每一个环节都对产品质量均匀性有影响，最重要的是碱化和醚化反应。产品理化指标的多样性、导致性能的多变性，研究性能对应用效果的影响以及应用过程的具体配方与工艺则是个系统工程。

      由于羟丙基甲基纤维素在欧美等发达国家规模生产较早，对研究HPMC的应用技术和拓宽HPMC的应用领域取得了丰富经验。

      现在日本信越、陶氏沃尔富和亚什兰跨龙意识到医药食品纤维素未来的巨大市场，或增产，或兼并，都加大了在此领域内的应用投入。陶氏沃尔富最近宣布将加强对中国药物制剂市场配方，成分及需求的关注，应用研究也努力向市场靠近。在10项辅料产品专业技术中，陶氏沃尔富就占有了其中五项，药物辅料已成为陶氏沃尔富的核心业务。陶氏化学沃尔富纤维素事业部与美国卡乐康公司于2007年在全球范围建立了缓控释制剂联盟，在9个城市和15资产机构，6个GMP的公司拥有超过1200名员工，其中大量的应用研究专业人员，为约160个国家的客户提供服务。亚什兰分别在国内的北京、天津、上海、南京、常州、昆山以及江门拥有生产基地，还在上海和南京两地投资了三家技术研究中心。最近亚什兰跨龙技术专家介绍，亚什兰Benecel™ HPMC应用于油炸食品，可以最大程度地减少油炸过程中油脂的摄取，降低油炸食物的油脂总含量，还能改善油炸产品的口感，延长油炸的换油周期，提高油炸产品的得率和降低油脂的成本。 

      另外，医药级HPMC应用于制剂已显示出较广泛的用途，如作为薄膜包衣材料、固体制剂粘合剂或混合粘合剂、缓释制剂制孔材料、亲水凝胶剂，也用于增加药物的溶出。目前主要应用于薄膜包衣剂、VC颗粒和植物胶囊等领域。HPMC空心胶囊无论是从原材料控制还是成品的质量控制以及生产过程的控制上，都是一种比明胶空心胶囊安全性更高的胶囊产品，目前在国际市场上得到越来越多人的青睐，成为高档保健品和药品的首选胶囊，在国际市场的销售每年达到200亿粒，并且每年以20%~30%的速度增长。

      建材领域的国外HPMC厂家主要有陶氏化学、日本信越、德国拜耳和克莱恩、韩国三星、比利时赫克力士和日本可乐丽，其技术应用和服务水平明显高于国内很多层次。欧洲的干粉砂浆工业做得很好，并且有在新技术领域的研究与开发都大量投资来满足不断提高的技术需求，从而提高其市场地位。

      我国羟丙基甲基纤维素起步较晚，上世纪70年代开始进行生产工艺研究，于上世纪80～90年代进行大规模生产，并在本世纪的头10年里才得到了迅猛发展，所以和欧美日等发达国家相比，国内HPMC的应用技术就更是起步阶段。目前问题主要集中在应用领域还相对较窄，技术与方法不完善，应用效果与产品生产环节脱节等。

      我国HPMC主要应用领域也涉及建筑、涂料、食品、医药、陶瓷、日化产品、高分子聚合等。而医药级、高分子聚合用HPMC产品质量总体上比不上国外，很多关键技术还掌握在欧美日等发达国家手中，通过应用研究对比和工艺设备改造，但国内产品与其差距已在逐渐缩小，个别产品指标已有超越。

      随着国内产品在质量上的不断突破，应用研究不断增大力度，食品工业中HPMC开始应用于植脂奶油、果汁等行业，作为悬浮剂增稠剂、乳剂稳定剂等都表现出优良的性能。HPMC在植脂奶油中起到阻止水相与油相的转换增加产品稳定性的作用，添加量为0.1%～0.2%。美国维益以高品质的产品占有国内植脂奶油市场的57%左右，其余市场份额被国内其它厂家占有。

      HPMC在国外建材领域已经使用了几十年，还未出现绝对的替代产品。国际市场需求量大，但由于国外公司的生产能力和综合优势，多数国外厂家尤其是欧美厂家仍以国外公司产品为主。近几年国内HPMC由于性价比优势明显，随着应用研究加大，国家行业标准的制订，产品质量的不断提高，几乎可以全部替代进口，在国内建材领域广泛应用。因此以后还需做好对HPMC的改性研究与配套技术研究，培养多向优势，以跟上国内外的市场发展需求。

      HPMC生产与技术进步是永无止境的，产品质量的要求也是不断在提高，品种不断在增加，而且一些生产企业也在产品多样化，即在HPMC为主的生产企业，也增加其它纤维素醚的生产，以适应市场与应用过程的发展需求，这样的国内企业也很多，象山东瑞泰、泸州北方、山东赫达、山东一滕以及光大科技等企业都在同时进行2-6种纤维素醚的生产，品种的增加，技术与工艺的多样化也为企业的技术进步增加了动力。

      羟丙基甲基纤维素作为一种非离子性纤维素醚，比起离子型纤维素醚在增稠、乳化、成膜、保护胶体、保持水分、黏合、抗敏等方面具有更优良的性能，广泛用于油田开采、乳胶涂料、高分子聚合反应、建筑材料、日用化学品、食品、制药、造纸、纺织印染等工业部门^[1]。随着国内城镇化进程的加快，产品需求量必定会逐年增加，在中国有广大的农村，下游产品也会加大增长，提高产品质量来抵御市场激烈竞争，需求会越来越大，但对HPMC产品质量和性价比要求也会更高。未来产品质量和品牌将成为竞争的焦点，突破技术壁垒，确保产品的稳定性将是未来市场持续发展的关键。

      我国纤维素醚行业与国外相比，虽然企业规模不算小，但缺少能对行业发展、市场变化起决定性作用的龙头企业，在一定程度上也缺乏行业在技术升级方面的研发与投入。国外公司主要以占领高端市场为主，有专业的市场调查支持，在制定销售战略方面有长足的优势。以应用技术为先导，涉足以前未应用之领域，占据市场。国内公司主要以低端市场为主，或以攻占国外公司应用领域为主，缺乏长远的策略，或因为实力不足，无从占领市场，只是跟从市场做一些小的发展。因此，国内纤维素醚企业应努力加大研发投入，要重视市场的开拓和人才的培养，尽早实现企业的转型升级和良性发展。

HPMC产品自诞生之日起，就表现出强盛的生命力，随着科技的进步，新领域的增长，HPMC将会应用到更广泛的领域。从目前发展趋势看，未来几年内必将带来行业资源的整合，企业将会利用各自的优势越来越专业化，形成自己的企业优势、产品优势、品牌优势、成本优势， 在经过同质化和价格打压等恶性竞争后，企业会变的越来越理性和专业化，并通过整合使其具有各自的特色和核心优势。随着技术的发展和应用市场的不断拓宽深化，在未来10年内，国内将会出现几家象美国DOW化学公司和赫克力士公司一样的大企业或跨国公司，并带领国内各纤维素醚企业向前发展，形成百花齐放，百家争鸣的局面。

 

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ZHAO Ming¹，LV Shao-yi²

(North Century Cellulose Technology Research & Development Co., Ltd., Beijing 100081,China;

College of Materials Science and Engineering, Beijing Institute of Technolgy, Beijing 100081, China)

 

Abstract:Paper summarized domestic and foreign hydroxypropyl methyl cellulose production technology， market and application technology development present situation。At present, Europe and the United States and other developed countries more adopt gas process to produce HPMC, one batch of high output, short reaction time, the labor intensity is small; Domestic production mainly adopt liquid process and the reactor is usually less than 15 m³, labor intensive, but the equipment has low pressure requirements, little risk. Europe and America has a mature HPMC market, CMC and HPMC consumption respectively accounted for 50%; With the development of China's economy and the raise of the technology level, HPMC market is in rapid growth stage, the consumption will gradually be equal to CMC. Because Europe and the United States earlier produce HPMC, the application technology is more abundant; Domestic HPMC application technology has just started, but with the quickening of the process of the domestic urbanization and the improvement of people's living standard, building, food and medicine will be the fastest growth in HPMC application field . With the development of technology and market, in the next 10 years, domestic will appear a few large enterprise or multinational company as the United States Dow Chemical Co. and Hercules Co., and lead the domestic various cellulose ether enterprise to forward develop, form the situation of "letting a hundred flowers bloom, a hundred schools of thought contend".

Key words: hydroxypropyl methyl cellulose; production technology; market; application technology