Целулозата е най-изобилният природен полимер наличен на Земята и тя е важен структурен елемент на клетъчната стена на много растения. Освен растенията, целулозата също присъства в широко разнообразие от живи видове, такива като водорасли, гъби, бактерии и дори в някои морски животни, такива като опашно хордови. Целулозата е фибрилен, здрав и водонеразтворим полимер и играе жизненоважна роля в поддържането на структурата на клетъчните стени на растенията. Нещо повече, целулозата е биоразградим, биосъвместим и възобновяем естествен полимер, от тук тя е считана като алтернатива на неразгадимите фосилни, на база горива полимери. Химичната структура на целулозата (Фигура 1) показва, че полимерът, образуван от кондензация, е изграден от мономери, свързни заедно чрез гликозидни кислородни мостове. Целулозата е изградена от глюкопиранозни единици които образуват линеен хомополимер с високо молекулно тегло, в който всяка мономерна единица е спирално навита на 180 градуса спрямо нейните съседни. Повтарящата се единица на този естествен полимер е един даймер глюкоза, известен като целобиоза. Степента на полимеризация на целулозата може да варира в зависимост от източника, и тя е приблизително  10,000 глюкозни единици за целулоза от дървесина  и 15,000 единици за целулоза от памук. Всяка глюкопиранозна единица носи три хидроксилни групи, които придават на целулозата някои от характерните й свойства, такива като хидрофилност, изомерност, биоразградимост и т. н., които са инициирани от високата реактивност на хидроксилните групи. Способността на тези хидроксилни групи да образуват силни хидрогенни връзки е главната причина за някои други свойства такива като многолюспеста микровлакнеста структура, йерархична организация (кристални и аморфни фракции), и висока кохезивна природа.

Фигура  1. Химическата структура на целулозата, която е линеен полимер, съставен от β-D-глюкопиранозни единици, ковалентно свързани с (1-4) гликозидни връзки

Мономерната единица на целулозата (С₆Н₁₀О₅) има: молекулна маса М = 162 и елементарен състав: С = 44,4 %; О = 49,4 %; Н = 6,2 %  [ 1].

На Фиг. 2 е показано надграждането на структурните елементи на целулозата и

 на дървесината.

Структурните елементи на дървесината се разглеждат в три направления:

·         Макроструктура

·         Микроструктура

·         Ултрамикроструктура

Структурните елементи на целулозата, могат да се разгледат в две направления:

·         Молекулна структура

·         Надмолекулна структура

Фигура 2. Йерархическа структура на дървесна биомаса и характеристиките на целулозните микровлакна, състоящи от аморфни и кристални райони

Стереохимичната структура на целулозата се определя от:

     - способността на отделни елементарни звена в молекулата към различни конформации. Под конформация се разбира - различното разположение на атомите в молекулата, дължащо се на завъртането им около една или няколко прости връзки в нея, без тези връзки да се скъсат.

     - високомолекулната същност на целулозата т.е. от способността на цялата молекула към различни конформационни състояния.

Конформацията на елементарните звена в макромолекулата и пространственото разположение на хидроксилните групи в нея създават възможност за асоцииране на отделните вериги посредством водородни / Н / връзки. Това има особено значение за:

1.                           Формата на целулозните молекули.

2.              Надмолекулната структура.

3.              Химичните и физикохимични свойства на целулозата.

Формата на надмолекулната структура е характерна особеност на полимерните съединения,

тъй като техните молекули не съществуват изолирано една от друга, а непрекъснато си

взаимодействат, в резултат на което се комбинират и се съчетават в по-крупни структурни

формации наречени елементи на надмолекулната структура

Надмолекулна структура

Целулозата като природен полимер също се характеризира с надмолекулна структура, която има важно значение за нейната реакционна способност. Елементите на надмолекулната структура зависят от устойчивостта и характера на силите, които пораждат взаимодействието между отделните молекули и характера на възникващите при това връзки. Силите, които водят до възникването на връзки между целулозните молекули биват химични и физикохимични. Физикохимични междумолекулни връзки имат по-голямо значение за формирането на надмолекулната структура. Те биват:

1.      водородни / Н / връзки между целулозните молекули - Тя е най-здравата от всички междумолекулни физикохимични връзки. Наличието на Н-връзки се доказва с изменението на редица свойства на целулозата, като: хигроскопичност; разтворимост; реакционна способност.

2.      Вандервалсови сили - Освен Н-връзки, около молекулата действат и други сили като: поляризационни; дисперсионни и ориентационни, които общо се наричат: вандервалсови сили. Те са по-слаби от Н-връзки и тяхната интензивност зависи от разстоянието между молекулите. При по-малки разстояния те създават допълнително връзки, които от своя страна оказват влияние върху надмолекулната структура, както и върху свойствата на целулозата.

Целулозата може да се разглежда като стереорегулярен високоориентиран кристален полимер, притежаващ в същото време и нееднородност в структурата т.е. тя спада към така наречените дефектни кристали. Тази двойственост в структурата на целулозата, включваща високоориентирани кристални участъци и по-слабо ориентирани аморфни участъци, е една от основните особености на целулозната полимерна влакнеста структура. На това се дължи и свойството на целулозните макромолекули да образуват материали с различни физични и химични свойства.

Елементи на надмолекулната структура:

-          Елементарна фибрила - структурен елемент, образуван от последователно разположени аморфни и кристални участъци. Една и съща молекула може да участва в структурата на две съседни елементарни фибрили.Размерите на елементарната фибрила са: дължина - от 2 до 5 [μm]; ширина - от 3,5 до 10 [nm]. Смята се, че средният диаметър зависи от произхода на целулозата и се увеличава в следната последователност: дървесна целулоза< памук< бактериална целулоза< животинска целулоза < рами.

-          Микрофибрила - Представлява, обединение на няколко елементарни фибрили /от 1 до 100 бр./. В зависимост от произхода на целулозата, напречните ѝ размери са: за широколистна дървесина - от 9 до 21 [nm]; за иглолистна дървесина - от 1 до 29 [nm]. Дължината на микрофибрилата е от 1 до 2 [μm], а в някои случаи и до 10 [μm].

-          Макрофибрила - Микрофибрилите, от своя страна проявяват силна тенденция към съединяване една с друга, образувайки снопчета. По този начин се образуват по-големи надмолекулни структурни елементи, които се наричат: макрофибрили. При набъбване на целулозата те се виждат с помощта на обикновен микроскоп. Предполага се, че техният диаметър е от 100 до 300 [nm].

Физикохимични свойства на целулозата

-           Сорбционна способност - Тя зависи, както от броя на участъците с различна степен на подреденост, така и от добре развитата фина капилярна система и вътрешна повърхност. Сорбционните свойства на целулозата са важни, както теоретично, така и в практическо отношение. Присъствието на сорбционна течност в целулозата влияе върху химичните й отнасяния и върху нейните механични и електрични характеристики.

-         Набъбване - Сорбцията на каквито и да е вещества от страна на целулозата води до нейното набъбване, което може да бъде различно в зависимост от природата на веществата. Набъбването се характеризира като междукристално и вътрешнокристално.

 -        Разтворимост на целулозата - Способността на целулозата да се разтваря в различни реагенти има важно практическо значение. Енергетичното взаимодействие между молекулите на разтворителя и активните групи на целулозата представлява процес на солватация. Това води до отслабване на връзките между самите целулозни молекули, нарушаване на плътната опаковка на целулозата, след което в нея дифундират молекулите на разтворителя. По този начин целулозата набъбва, а това представлява самото разтваряне.