最新植物纖維化學(xué)(通俗易懂)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一章 植物纖維化學(xué)第一節(jié) 造紙纖維原料的分類制漿造紙工業(yè)使用的原料主體是植物纖維、再生纖維（廢紙），其他纖維如礦物纖維、合成纖維、金屬纖維等占的比重很小。制漿造紙工業(yè)用植物纖維原料品種繁多，可分類如下：一 木材纖維原料1、針葉材（needle leaved wood）圖1-1 西部鐵杉（Tsuga heteroptylla）原料的葉子多呈針狀、條形或鱗形，故稱為針葉材原料。原料的材質(zhì)較松軟，稱為軟木（soft wood）。制漿造紙工業(yè)用得最多的是云杉、冷杉、鐵杉、落葉松、紅松、馬尾松、火炬松、濕地松、臭松、柏木等(如圖1-1所示為西部鐵杉)。2、闊葉材（leaf w

2、ood）圖1-2 楊木（Poplar wood）原料的葉子多為寬闊狀，故稱為闊葉材原料。原料的材質(zhì)較堅硬，稱為硬木（hard wood）。制漿造紙工業(yè)用得最多的是白楊、意大利楊、歐美黑楊、樺木、楓木、桉木、櫸木、楹木等（如圖1-2所示為楊樹）。圖1-3 蘆葦 （Reed）二 非木材纖維原料非木材纖維原料是我國造紙工業(yè)中使用較多的原料，其品種繁多。其中，有一年生的農(nóng)業(yè)廢料，也有自然生長或人工培植的禾本科等各種原料。1、竹 類如毛竹、慈竹、白夾竹、南竹、小雜竹等；2、禾草類如稻草、麥草、蘆葦、甘蔗渣、高粱稈、玉米稈、棉稈等（如圖1-3所示為蘆葦）；3、韌皮類 一部分是樹皮的皮層中含有較多的纖維，如

3、桑皮、構(gòu)皮、檀皮、棉稈皮等；一部分麻類如亞麻、黃麻、大麻、苧麻等；4、籽毛類 如棉花、棉短絨；5、葉部類 部分植物葉子富含纖維，有制漿造紙價值。如龍須草、甘蔗葉。三 半木材纖維原料這類原料主要是指棉桿。棉桿的形態(tài)、結(jié)構(gòu)介于木材和禾本科原料之間；分類學(xué)上屬于錦葵科棉屬，全世界約有35個品種。其化學(xué)成分，形態(tài)結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)與闊葉材相近。我國是世界上第二大產(chǎn)棉大國，有豐富的棉桿可供制漿造紙開發(fā)使用。四 二次纖維（Secondary Fiber）我國廢紙分為11類：混合廢紙、廢包裝紙箱、廢瓦楞紙箱、特種廢紙、廢報紙、廢書刊雜志、廢牛皮紙、紙箱切邊、辦公廢紙、出版物白紙邊和白報紙。如圖1-4所示。圖1-

4、4 舊報紙（ONP）上述原料中，木材纖維原料，尤其針葉木原料是造紙的優(yōu)良原料。目前我國應(yīng)用最多的是馬尾松、火炬松、濕地松等針葉木，楊木、樺木等闊葉木也用于造紙。我國木材資源較為緊缺，禾本科植物原料來源豐富，因此在制漿原料中禾本科植物占有一定比例。隨著綠色造紙，循環(huán)經(jīng)濟的深入發(fā)展，越來越多的再生纖維被回用于各類紙張的生產(chǎn)中。第二節(jié) 植物纖維原料的生物結(jié)構(gòu)及細胞形態(tài)一 木材的解剖1、木材解剖的三個切面樹莖三個切面的形態(tài)如圖1-5所示。（原圖1-5和圖1-6合并成一個圖，請改圖序）（1）橫切面：與樹干的軸相垂直的切面。（2）徑切面：通過樹心、與木射線平行的切面，即通過直徑方向的切面。（3）弦切面：垂

5、直于木射線、與年輪相切的切面。圖1-5 樹徑的三個切面示意圖2、春材和秋材 樹木的每個年輪是由兩部分組成的，靠樹心部分的顏色較淺，是每年生產(chǎn)季節(jié)的前期生長出來的，故稱春材（spring wood），也稱早材（early wood）；年輪中靠外圈、顏色較深部分，是每年生長季節(jié)的后期，即秋、冬天生產(chǎn)出來的，故稱秋材（autumn wood），又稱晚材（late wood）。春材纖維腔大而壁較薄，長度較短，樹脂含量較低，顏色較淺，材質(zhì)較疏松，強度較差；但纖維較柔軟，抄紙時纖維間的結(jié)合力較大。秋材纖維的腔小而壁厚，樹脂含量較低，材質(zhì)緊密，顏色較深，強度較高，單根纖維較挺硬，未經(jīng)打漿時成紙的緊度低，強度

6、差。秋材的密度高，單位體積的木料制漿得率高，纖維細胞較厚，打漿較困難，樹脂含量也高；春材則反之。二 針葉材的生物結(jié)構(gòu)、細胞類型、含量及形態(tài)針葉木中的細胞最主要是管胞，并有少量的木射線，一般不含導(dǎo)管。各種細胞在三個切面中的位置及形態(tài)如圖1-7所示，云杉三個切面的形態(tài)如圖1-8所示。圖1-7 針葉材三個切面及細胞形態(tài)示意圖圖1-8 云杉三個切面形態(tài)圖1、管胞（tracheid）管胞（如圖1-9所示），即通常所說的纖維，是針葉木中最主要的細胞，一般占針葉木細胞總數(shù)的90%95%（面積法，如表1-1所示）。管胞呈紡錘狀，在木材中呈縱向成束排列，與橫向成排生長的木射線垂直（如圖1-7、1-8所示），管胞

7、既是針葉木中輸導(dǎo)水分的組織，又是其中唯一的支持組織。圖1-9 管胞示意圖表1-1 常見造紙原料的纖維及纖維細胞含量比較原料纖維薄壁細胞導(dǎo)管表皮細胞其他桿狀非桿狀馬尾松98.51.5落葉松98.51.5桉 樹82.45.012.6鉆天楊76.71.921.4龍須草70.56.74.93.710.73.5荻65.54.924.54.80.3甘蔗渣64.310.618.65.31.2注：各種細胞的含量以各種細胞的面積對全部細胞的總面積的百分數(shù)計。2、木薄壁組織針葉材中的射線細胞，壁薄而腔大，長度小，呈長方形，是木材中沿徑向排列的細胞，在橫切面上呈輻射狀，并貫穿多個年輪；在木質(zhì)部中稱為木射線，在韌皮部

8、中稱韌皮射線。在樹木的生產(chǎn)過程中，射線細胞通過紋孔與其他細胞相通，起著橫向流通及儲存營養(yǎng)的作用；在蒸煮過程中，木射線有利于藥液的擴散。盡管針葉材的射線細胞體積甚小，長度極短，沒有制漿造紙價值，但由于其量不多，故對紙漿（張）的質(zhì)量不會產(chǎn)生不良影響。3、樹脂道樹脂道是部分針葉材獨有的特征，是由若干個分泌細胞所圍繞成形的一種胞間道。它不是一個細胞，也不是一個組織，而是細胞間隙，中間充滿樹脂，故稱為樹脂道(如圖1-10、1-11所示)。圖1-10 松木樹脂道結(jié)構(gòu)圖三 闊葉材的生物結(jié)構(gòu)、細胞類型、含量及形態(tài)1、闊葉材的生物結(jié)構(gòu)圖（如圖1-12、13、14所示）（1）橫切面：圖1-12 南京楊切面圖（2）

9、弦切面：（3）徑切面：2、細胞類型、含量及形態(tài)（1）木纖維： 木纖維（wood fibre），即纖維細胞，是闊葉材的最主要細胞和支持組織。紋孔多是具緣紋孔，由于細胞壁狀增厚，使紋孔由長橢圓形逐漸變?yōu)榭p隙狀或孔腔完全消失而成為單紋孔。平均長度為1mm，直徑一般小于20um，闊葉木漿不適于單獨抄造高強度紙張。闊葉材中的纖維細胞含量明顯低于針葉材的纖維細胞含量，多數(shù)材種的纖維細胞含量為60%80%。（如表1-1所示）（2）管胞： 闊葉材中的管胞數(shù)量少，但形態(tài)與針葉材中的管胞相似，其胞壁上的紋孔為具緣紋孔，紋孔緣明顯。（3）導(dǎo)管： 導(dǎo)管是闊葉材中的水分輸導(dǎo)組織，是由直徑很大的管狀細胞的端壁相連接而成的

10、。（4）薄壁細胞及木射線薄壁細胞：部分闊葉材的木薄壁組織較發(fā)達，在橫切面上呈現(xiàn)各種類型的分布，其顏色比周圍的基本組織淺，特別是橫切面上用水濕潤后很容易觀察到，是識別闊葉材的重要特征。如圖1-15、1-16所示。圖1-15 薄壁細胞示意圖圖1-16 木射線細胞示意圖四 針葉材與闊葉材生物結(jié)構(gòu)的區(qū)別針葉材與闊葉材原料的主要特點比較如表1-2所示。表1-2 針葉材、闊葉材組織結(jié)構(gòu)比較項目針葉材闊葉材年輪除熱帶外，多數(shù)地區(qū)中年輪界線明顯除環(huán)孔材和部分半環(huán)孔材外，不明顯細胞類型細胞種類少，管胞占9095%，此外僅有少量木射線，結(jié)構(gòu)簡單細胞種類多，木纖維含量低，又有導(dǎo)管、木射線及縱向薄壁細胞，還有少量的管

11、胞，結(jié)構(gòu)復(fù)雜木射線特點一般為單列，且為同型木射線部分為單列，多數(shù)為雙列甚至多列，有同型射線，又有異型射線纖維形態(tài)及紋孔較粗且長，紋孔明顯又短又細，多數(shù)纖維的紋孔不明顯樹脂道部分針葉材中有樹脂道沒有樹脂道纖維排列規(guī)則性橫切面中纖維排列規(guī)則性強，木材結(jié)構(gòu)較均勻受導(dǎo)管影響，纖維排列規(guī)則性不如針葉材，且不同材種的規(guī)則性差別甚大五 禾本科纖維原料的生物結(jié)構(gòu)、細胞類型、含量及形態(tài)圖1-17 禾稈構(gòu)造示意圖1、禾稈的構(gòu)造 任何一個禾稈都是由若干個節(jié)所組成的，每個節(jié)又是由節(jié)部和節(jié)間所構(gòu)成的（如圖1-17所示）。節(jié)間和節(jié)部是通過生長帶來聯(lián)系的。2、禾稈的細胞組成、形態(tài)（1）纖維細胞： 纖維細胞是禾本科植物纖維原

12、料的最主要細胞，是禾稈的支持組織，是制漿造紙的主要成分。但是，禾本科原料的纖維含量低（僅4070%面積法，如表1-1所示），纖維較短，其制漿造紙價值比木材原料低。（2）薄壁細胞（parenchyma）： 薄壁細胞，又稱基本組織（ground tissue），是禾本科原料中除纖維細胞外的另一類主要細胞。薄壁細胞在植物生長過程中起著儲存營養(yǎng)的作用。薄壁細胞腔大而壁薄，吸水量為自身質(zhì)量的15倍（纖維細胞僅5倍），蒸煮時液比需加大。薄壁細胞的長度甚短，不單會給洗漿及抄紙等操作帶來麻煩，而且會影響成紙的強度和形態(tài)穩(wěn)定性。因此，原料的薄壁細胞含量越高，其制漿造紙價值就越低。 薄壁細胞的長度極短，粘結(jié)、交織

13、能力甚差，大量的薄壁細胞對制漿造紙生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量、廢液回收等方面均有不良影響，這是草類原料的特點和缺點。通過備料及紙漿的篩選，降低漿中薄壁細胞的含量，是改善草漿質(zhì)量的一項有效措施。（3）導(dǎo)管： 導(dǎo)管是植株的輸導(dǎo)組織，根從土壤中吸收的水分和營養(yǎng)就是通過導(dǎo)管由下往上輸送的。（4）表皮細胞： 禾本科的表皮細胞，位于葉子和禾稈的外表面，其作用是保護植株的內(nèi)部器官。 堿法制漿時硅細胞和栓質(zhì)細胞被堿溶解，增加廢液的硅酸鈉含量，提高黑液粘度，降低洗漿效率，增加堿回收的“硅干擾”危害。第三節(jié) 主要植物細胞的構(gòu)造一 纖維細胞的形成及纖維植物細胞的顯著特征之一是具有細胞壁；細胞壁包圍在細胞的最外層，使細胞具有一定

14、的形狀。圖1-18 纖維細胞壁的微細結(jié)構(gòu)模型植物纖維細胞是造紙植物纖維原料中最主要、最基本的細胞。根據(jù)細胞壁形成的先后、化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)等方面的差異，細胞壁可以分成胞間層、初生壁和次生壁三個部分；細胞壁上還有紋孔、胞間聯(lián)絲等結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)細胞之間水分及其它物質(zhì)的輸導(dǎo)、流通。如圖1-18和表1-3所示。植物細胞分裂產(chǎn)生新細胞時，在兩個細胞之間形成了一層薄膜，稱為胞間層，即中間層（middle lamella 簡稱ML）。在細胞的形成和生長階段，原生質(zhì)體所分泌的纖維素、半纖維素等在胞間層的內(nèi)側(cè)沉積形成了初生壁（primary wall 即P層）。初生壁停止生長之后，原生質(zhì)體所分泌的纖維素等產(chǎn)物在P層內(nèi)側(cè)

15、沉積形成的細胞壁，稱為次生壁（secandary wall 即S層）。根據(jù)形成的先后，次生壁可分為外層（S1）、中層（S2）和內(nèi)層（S3）。所有植物細胞都具有初生壁，但并不都具有次生壁。表1-3 主要細胞結(jié)構(gòu)的區(qū)別細胞結(jié)構(gòu)形成時期成分特點胞間層細胞分裂末期果膠粘合力強，性質(zhì)不穩(wěn)定，容易在酸、堿、酶的作用下破壞初生壁細胞生長過程中纖維素、半纖維素、少果膠厚1-3m，填充生長，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，薄而可延伸，可隨細胞生長不斷擴大表面積次生壁細胞停止生長后纖維素、半纖維素及其它物質(zhì)厚5-10m，附加生長，厚而堅韌，只有厚度的增加，沒有面積的擴大二 纖維形態(tài)及其與紙漿（張）性質(zhì)的關(guān)系1、常見原料的細胞組成比較針

16、葉材：管胞、木射線管胞和木射線薄壁細胞；闊葉材：木纖維、管胞、導(dǎo)管、薄壁細胞及木射線薄壁細胞；禾本科：纖維細胞、雜細胞。多數(shù)雜細胞都具有腔大、壁薄、長度短的特點，制漿時會吸收大量蒸煮藥液；洗漿時會堵塞洗漿機洗鼓的網(wǎng)孔，降低洗滌能力；成紙時缺乏粘結(jié)、交織能力，降低成紙的強度；表皮細胞在堿法制漿時會增加廢液的硅含量，形成硅干擾；在酸法漿中則成片狀存在、增加紙病?？傊?，原料的雜細胞含量越高，其制漿造紙價值就越低。2、纖維形態(tài)及其與紙張性質(zhì)的關(guān)系（1）長度：纖維的長度，在測定原料的纖維形態(tài)時是指完整的纖維長度；在測定紙漿的形態(tài)變化時則包括所有纖維的長度（即包括完整的和生產(chǎn)過程中折斷，磨碎的）。（2）寬

17、度：指纖維中段的直徑。（3）長寬比：纖維長度/纖維寬度的比值，稱長寬比。長寬比大的纖維，成紙時單位面積中纖維之間相互交織的次數(shù)多，纖維分布細密，成紙強度高，特別是撕裂度、裂斷長、耐折度等強度指標。反之，則單位面積中纖維之間交織的次數(shù)少，成紙的強度較低。長寬比是作為評價原料纖維的制漿造紙價值的重要標準。常見的造紙植物纖維原料的纖維形態(tài)特征如表1-4所示。表1-4 常見的造紙植物纖維原料的纖維形態(tài)特征原料長度（mm）寬度（um）長寬比單壁厚（um）腔徑（um）壁腔比非纖維細胞含量(%)平均一般平均一般蘆葦1.120.601.609.75.913.41153.03.41.7735.5荻1.360.6

18、42.1217.18.429.3806.173.73.634.5龍須草2.101.342.8510.48.312.72023.33.12.1329.5毛竹2.001.232.7116.212.319.61236.62.904.5531.2毛白楊0.8220.839.54.912.10.81馬尾松3.612.235.0650.036.365.772早3.8晚8.7早33.1晚16.6早0.23晚1.051.5紅松3.622.454.1054.339.263.867早3.5晚4.3早27.7晚14.0早0.25晚0.611.8落葉松3.412.284.3244.429.463.777早3.5晚9.

19、3早33.6晚12.6早0.21晚1.481.5山楊0.860.651.1417.414.723.55023.3桉木0.680.550.7916.813.218.34317.6注：非纖維細胞含量用面積法計算應(yīng)該指出，用長寬比作為標準來評價某些原料的纖維特性是有一定意義的，但用以比較木材原料和草類原料時則存在一定的片面性。不少禾本科原料纖維的長寬比遠比針葉材纖維為大，但其成紙的強度則比針葉材纖維低得多。原料纖維的絕對長度是最基本、最重要的形態(tài)指標，對紙張的裂斷長、耐折度、撕裂度等指標有大的影響。壁腔比：細胞壁厚度與細胞腔直徑的比值 壁腔比1者為很好原料，壁腔比1為好原料，壁腔比1者為劣等原料。纖

20、維的壁腔比不同，則它們的柔軟程度不同。壁腔比?。蠢w維的柔軟性好）的纖維，成紙時纖維間的接觸面積較大，結(jié)合力強，成紙的強度高；反之，壁腔比大的纖維較僵硬，成紙時纖維間的接觸面積較小，結(jié)合力小，成紙的強度差。壁腔比大小對成紙的耐破度指標的影響尤為顯著。影響紙張強度的因素很多。從纖維形態(tài)的角度來看，主要是三個因素，即：1、纖維的交織能力；2、纖維的結(jié)合能力；3、纖維自身的強度。纖維的交織能力受纖維長度的影響最大，對纖維的撕裂強度起決定性作用。纖維的結(jié)合能力及纖維的自身強度（單根纖維強度）則直接與纖維細胞壁厚度及壁腔比有關(guān)。細胞壁薄、胞腔大的纖維在打漿及成紙過程中纖維容易扁塌，從而在纖維與纖維間形成

21、較大的接觸面，紙頁干燥時在這些部位產(chǎn)生較多的氫鍵結(jié)合，于是纖維間結(jié)合強度就好，表現(xiàn)在紙的物理強度上是抗張力較好，耐破度較好，這兩項指標受纖維結(jié)合力影響最為明顯。用壁薄、腔大的纖維造紙，一般紙頁緊度較高，不透明度較低，紙面較細平。相反，用細胞壁較厚，壁腔比較大的纖維造紙，纖維不易扁塌，形態(tài)多呈柱狀，成紙時纖維與纖維間的結(jié)合面小，往往是線結(jié)合或點結(jié)合，因此受結(jié)合力影響較大的某些指標，一般不如薄壁纖維。晚材率高的樹種，細胞壁厚，成紙物理強度稍差。常見三種針葉材的細胞壁厚度如表1-5所示。表1-5 幾種纖維原料的細胞壁厚材種材齡特性平均一般壁腔比紅松早材壁厚3.53.04.00.25腔徑27.7203

22、5晚材壁厚4.34.05.00.61腔徑14.08.018馬尾松早材壁厚3.83.05.00.23腔徑33.12540晚材壁厚8.77.0101.05腔徑16.61320紅松早材壁厚3.53.04.00.21腔徑33.62840晚材壁厚9.37.0101.48腔徑12.68.025圖1-19針葉木漿纖維形態(tài)圖（Cells of softwood trees）幾種常見纖維的形態(tài)如圖1-19、1-20、1-21、1-22所示。1-20闊葉木漿纖維形態(tài)圖1-21闊葉樹木不同樹種的細胞形態(tài)（Cells of hardwood trees）2-22荻葦漿纖維形態(tài)圖（Cells of reed）第四節(jié) 植

23、物纖維原料的主要成分及其性質(zhì)一、木素1、 木素的概念（1）木素的概念： 木素是由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元（即C6-C3單元）通過醚鍵、碳-碳鍵聯(lián)接而成的芳香族高分子化合物。不同原料的木素含量及組成不同。針葉材原料的木素含量最高，一般可達30%左右；禾本科原料的木素含量較低，一般為20%或更低；闊葉材原料的木素含量一般介于針葉材和禾本科兩類原料之間，為21%左右。如表1-6所示。表1-6 常用三類原料的主要化學(xué)成分比較項目單位軟木硬木禾本科纖維素%454542半纖維素%263440其中：木糖%92533葡萄糖-甘露糖%1650木素%292117原料中，木素是填充在胞間層及微細纖維之間的“粘合劑”和“填充

24、劑”；木素是原料及紙漿顏色的主要來源；原料及紙漿中的木素含量是制訂蒸煮及漂白工藝技術(shù)條件的重要依據(jù)。針葉材原料的木素含量高，難蒸煮、漂白；禾本科原料的木素含量低，較易蒸煮、漂白；闊葉材原料則介于兩者之間。木素含量高低及木素性質(zhì)不同，紙漿的白度及白度穩(wěn)定性也將不同。生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)紙漿質(zhì)量對白度及白度穩(wěn)定性的不同要求，將木素除去不同的程度。對纖維素衍生物及高白度、高白度穩(wěn)定性紙張的生產(chǎn)用漿，蒸煮、漂白時必須盡量除去木素；對新聞紙等對白度、白度穩(wěn)定性要求不高的生產(chǎn)用高得率紙漿，漂白時可采用H2O2、Na2S2O2等進行。（2）木素在植物內(nèi)的作用：圖1-23 木材纖維分離示意圖木材中，木素作為一種填充

25、和粘結(jié)物質(zhì)，在木材細胞壁中，能以物理或化學(xué)的方式使纖維素纖維之間粘結(jié)和加固，增加木材的機械強度和抵抗微生物侵蝕的能力，使木化植物直立挺拔和不易腐朽。如圖1-23所示。（3）木素的含量：針葉木（裸子植物）中，木素含量2535%，闊葉木（被子植物中的雙子葉植物）木素含量達2025%，單子葉植物中禾本科植物一般含量1525%。如表1-6、圖1-24所示是針葉木硫酸鹽漿和機械漿中木素含量，圖1-25所示是針葉木硫酸鹽漿的組成分布。圖1-24 針葉木硫酸鹽漿和機械漿中的木素含量圖1-25 硫酸鹽漿的組分分布2、 木素的功能基圖1-26 愈瘡木基丙烷、紫丁香基丙烷、對-羥基苯基丙烷結(jié)構(gòu)圖木素分子中存在多種

26、功能基，主要是甲氧基（-OCH3）、羥基（-OH）、羰基（-CO）。主要功能基經(jīng)過生物合成為愈瘡木基、紫丁香基、對-羥基苯基等基本結(jié)構(gòu)單元（如圖1-26所示），從而使植物界多姿多彩，呈現(xiàn)多樣性。研究表明：針葉木，愈瘡木基丙烷含量在8090%，受壓材（Compression wood）約含70%愈瘡木基丙烷和少量的對-羥基苯基丙烷；闊葉材和草類原料，愈瘡木基丙烷、紫丁香基丙烷和少量的對-羥基苯基丙烷。3、 木素結(jié)構(gòu)單元間的聯(lián)接（1）木素苯基丙烷間的聯(lián)接形式：醚鍵聯(lián)接：約為6070%。其主要聯(lián)接形式是-烷基-芳基醚（-4）、二烷基醚（-）、-烷基-芳基醚（-4）、二烷基醚鍵聯(lián)接（4-5，）（化學(xué)性

27、質(zhì)穩(wěn)定）、甲基-芳基醚鍵聯(lián)等五種形式。碳-碳鍵聯(lián)接：約為3040%。其主要聯(lián)接形式是-5型聯(lián)接、-1型聯(lián)接、5-5型聯(lián)接、-6型聯(lián)接、-6型聯(lián)接、-型聯(lián)接、-型聯(lián)接等七種形式。（2）木素-碳水化合物復(fù)合體（LCC）：研究者認為，木素不是簡單地沉積在細胞壁聚糖（碳水化合物）間，親水性的多糖和疏水性的木素之間肯定是具有某種相互作用。在制備綜纖維素時，如果要從木材原料中把木素完全除去，必然會使一部分聚糖隨之損失；如果要保持聚糖的完整，則不能把木素徹底除凈。在木材的硫酸鹽蒸煮過程中，從初期到后期，在蒸煮液里均能發(fā)現(xiàn)木素和半纖維素的復(fù)合體。這些事實使人們逐步認識到，木素和聚糖之間有著牢固的聯(lián)接?，F(xiàn)在的研

28、究表明，木素和半纖維素之間確實存在化學(xué)鍵，構(gòu)成木素-碳水化合物復(fù)合體（Lignin-Carbohydrate Complex簡稱LCC）。木素-碳水化合物復(fù)合物之間的聯(lián)接鍵型主要是-醚鍵結(jié)合、苯基糖甙鍵、縮醛鍵、酯鍵、自由基結(jié)合而成的-C-O-或-C-C-結(jié)合等五種形式。了解木素在木材中的含量、基本結(jié)構(gòu)單元和聯(lián)接形式，對于制漿工藝來說有著十分重要的意義。4、木素的物理性質(zhì)及其利用（1）顏色： 原本木素是一種白色或接近無色的物質(zhì)，人們所見到的木素的顏色，是在分離和制備過程中形成的。如云杉Brauns木素是淺奶油色，酸木素、銅氨木素和過碘酸鹽木素的顏色較深，在淺黃色到深褐色之間。在硫酸鹽法制漿蒸煮

29、后，漿料的顏色比木材本身的顏色要深的原因是，蒸煮過程中形成了堿木素和硫化木素的緣故。（2）相對密度： 自木化植物分離的木素大都是無定型的粉末，其相對密度為1.300-1.500。數(shù)值的大小因測定方法和木素制備方法的不同而有區(qū)別。（3）光學(xué)性質(zhì)（折射率）： 木素結(jié)構(gòu)中沒有不對稱碳，因此沒有光學(xué)活性。云杉銅氨木素的折射率是1.61，這證明了木素的芳香族特性。而芳香族化合物對紫外光有特性吸收，從而賦予含木素較高的機械漿抄造的紙，具有優(yōu)良的不透明性能。（4）溶解度： 原本木素一般不溶于任何溶劑，分離木素往往有一定的溶解度，但因植物種類、分離方法和溶劑的不同而差別較大，很難找到一個確定值。（5）熔點：

30、木素的熔點往往不是一個固定的物理常數(shù)，如云杉堿木素的熔點為1860C，有兩種工業(yè)堿木素的熔點分別為1400C和1700C。（6）木素的熱性質(zhì)： 木素的熱性質(zhì)即木素的熱可塑性，其對機械漿制造和抄紙壓光，是一項重要的性質(zhì)。各種分離木素的軟化溫度，即常說的玻璃轉(zhuǎn)化點，干燥木素在1271930C，隨樹種、分離的方法、分子量大小而異。吸水潤脹后的木素，軟化點大大降低。而隨著分子量加大，其軟化點、玻璃轉(zhuǎn)化溫度上升。在機械制漿時，木片含有一定的水份，木片中木素的軟化點在水作用下降低，從而有利于纖維的分離。因此，深入了解木素的熱性質(zhì)對于制漿工程是非常重要的。表1-7列出了木素的含水率和軟化點。表1-7 木素的

31、含水率和軟化點樹種木素含水率/%軟化點/0C云杉過碘酸木素01933.915912.611527.190樺木過碘酸木素017910.7128云杉二氧六環(huán)木素(低分子)01277.172二氧六環(huán)木素(高分子)01467.292針葉木木素磺酸鈉023521.2118（7）木素的利用： 木素是僅次于碳水化合物在自然界大量存在的天然高分子材料，其利用僅僅限于制漿廢液中的木素，利用率大約在2%左右。硫酸鹽法廢液中的木素，在堿回收時作為能源回收；有的工廠用98%濃硫酸從黑液中提取木素，用著分散劑、粘合劑的原料。二 纖維素1、纖維素的概念（1）纖維素的概念： 纖維素是在常溫下不溶于水、稀酸和稀堿的D-葡萄糖

32、基以-1，4苷鍵聯(lián)接起來的鏈狀高分子化合物。6CO2+6H2O+674千卡 =C6H12O6+6O2纖維素是植物纖維原料的最主要化學(xué)成分，也是紙漿、紙張的最主要、最基本的化學(xué)成分。原料的纖維素含量高低，是評價原料的制漿造紙價值的基本依據(jù)。常用的三類植物纖維原料（針葉材、闊葉材、禾本科）的纖維含量如表1-6所示。 纖維素是生產(chǎn)過程中必須盡量保護的，以免造成紙漿得率、強度下降，生產(chǎn)成本提高。（2）葡萄糖基的鍵結(jié)合：纖維素大分子的基本結(jié)構(gòu)單元是D-吡喃式葡萄糖基。其分子式為（C6H10O5）n，式中n為葡萄糖基數(shù)目，稱為聚合度。葡萄糖基間聯(lián)接都是-苷鍵連接，由于苷鍵的存在，使纖維素大分子對水解作用的

33、穩(wěn)定性降低，在酸或高溫下與水作用，可使苷鍵破裂，纖維素大分子降解。纖維素化學(xué)結(jié)構(gòu)式的結(jié)構(gòu)單元中，含有三個游離醇羥基，分別處于葡萄糖基環(huán)的2、3、6位，其中在C6上的羥基為伯羥基，而C2、C3上的羥基為仲羥基。這些羥基對纖維素的性質(zhì)有決定性的影響，可以發(fā)生氧化、酯化、醚化反應(yīng)，分子間形成氫鍵。氫鍵在干燥過程中對紙頁固化有著重要意義。纖維素大分子的兩個末端基的性質(zhì)是不同的。一端為還原性末端基，另一端為非還原性端基。還原性末端基對堿極不穩(wěn)定，容易發(fā)生剝皮反應(yīng)，如圖1-27所示。圖1-27 葡萄糖兩個末端基結(jié)構(gòu)圖2 纖維素性質(zhì)（1）吸濕和解吸：吸濕：當纖維素自大氣中吸取水或蒸汽時,稱為吸濕。解吸：因大

34、氣中降低了蒸氣分壓而自纖維素放出水或蒸汽時，稱為解吸。在纖維素的無定形區(qū)中，鏈分子中的羥基只是部分地形成氫鍵，還有部分的羥基仍是游離羥基。由于羥基是極性基團，易于吸附極性的水分子，并與吸附的水分子形成氫鍵結(jié)合，這就是纖維吸濕的內(nèi)在原因。結(jié)合水：一部分是進入纖維素無定形區(qū)與纖維素的羥基形成氫鍵結(jié)合的水，稱為“結(jié)合水”。游離水：當纖維素物料吸濕達到纖維飽和點后，水分子繼續(xù)進入纖維的細胞腔和孔隙中，形成多層吸附水或毛細管水，這種水稱為“游離水”。紙張的強度在某一水分含量而達到最大值，低于此值則紙張發(fā)脆強度下降，高于此值則由于潤脹作用又破壞了纖維之間的氫鍵結(jié)合，強度也會下降。纖維素物質(zhì)在絕干時是良好的

35、絕緣體，吸濕時則電阻迅速下降。（2）纖維素的熱降解：第一階段：纖維素物理吸附的水進行解吸，溫度范圍是251500C；第二階段：纖維素結(jié)構(gòu)中某些葡萄糖基開始脫水，溫度范圍是1502400C；第三階段：纖維素結(jié)構(gòu)中糖甙鍵開始斷裂，一些C-O鍵和C-C鍵也開始斷裂，并產(chǎn)生一些新產(chǎn)物和低分子量的揮發(fā)性化合物，溫度范圍是2404000C；第四階段：纖維素結(jié)構(gòu)的殘余部分進行芳環(huán)化，逐步形成石墨結(jié)構(gòu)，溫度范圍在4000C以上。（3）纖維素的機械降解：纖維素原料經(jīng)磨碎、壓碎或強烈壓縮（如切削木片時，木片一端被強烈壓縮）時，纖維素往往受到機械作用而降解，表現(xiàn)為聚合度下降，制成紙漿后強度下降。（4）纖維素的酸水解

36、降解：纖維素大分子中的1，4-苷鍵是一種縮醛鍵，對酸特別敏感，在適當?shù)臍潆x子濃度、溫度和時間作用下，苷鍵斷裂。纖維素酸水解表現(xiàn)為：聚合度下降,一般降至200以下則粉末；纖維素酸水解后吸濕能力改變，水解開始階段纖維素的吸濕性有明顯降低，到了一定值后再逐漸增加；酸水解纖維素聚合度下降；酸水解纖維素還原能力增加；酸水解纖維素纖維機械強度下降。（5）纖維素的堿性降解： 纖維素的配糖鍵在一般情況下，對堿是比較穩(wěn)定的，纖維素也會受到堿性水解。與酸性水解一樣，堿性水解使纖維素的配糖鍵部分斷裂。 在堿性溶液中，即使在很溫和的條件下纖維素也能發(fā)生剝皮反應(yīng)。剝皮反應(yīng)就是在堿的影響下，纖維素具有還原性末端基的葡萄糖

37、基會逐個掉下來，直到產(chǎn)生纖維素末端基轉(zhuǎn)化為偏變糖酸基的穩(wěn)定反應(yīng)為止，掉下來的葡萄糖基在溶液中最后轉(zhuǎn)化為異變糖酸，并以其鈉鹽的形式存在于蒸煮液中。3、與纖維素有關(guān)的幾個概念（1）綜纖維素（holo cellulose）：又稱總纖維素（total cellulose），造紙植物纖維原料除去抽出物和木素后所留下的部分。（2）化學(xué)漿的-纖維素、-纖維素、-纖維素、工業(yè)半纖維素：用17.5%NaOH（或24%KOH）溶液在20下處理綜纖維素或漂白化學(xué)漿45min，將其中的非纖維素的碳水化合物大部分被溶出，留下的纖維素與抗堿的非纖維素碳水化合物，分別稱為綜纖維素的-纖維素或化學(xué)漿的-纖維素。用漂白化學(xué)木漿

38、時，在上述處理中所得溶解部分，用醋酸中和沉淀出來的部分，稱為-纖維素；不沉淀的部分稱為-纖維素。在漂白化學(xué)漿中，-纖維素包括纖維素和抗堿的半纖維素。-纖維素為高度降解的纖維素與半纖維素。-纖維素全為半纖維素。-纖維素與-纖維素包含植物原料制成漂白漿后留在漿內(nèi)的天然半纖維素，也有一部分是纖維素在制漿過程中的降解產(chǎn)物。習(xí)慣上將-、-纖維素之和稱為工業(yè)半纖維素，以示與天然半纖維素有別。三 半纖維素1、半纖維素的概念是指植物纖維原料中除纖維素以外的全部碳水化合物（少量的果膠質(zhì)和淀粉除外），即非纖維素的碳水化合物。植物細胞壁中的纖維素和木素是由聚糖混合物緊密地相互貫穿在一起的，此聚糖混合物也稱為半纖維素

39、。2、半纖維素的基本組成及性質(zhì)半纖維素是由多種糖單元組成的，常見的半纖維素：針葉材主要是聚-O-乙?；肴樘瞧咸烟歉事短?，聚阿拉伯糖-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖，聚阿拉伯糖半乳糖；闊葉材主要是聚-O-乙?；?4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖，聚葡萄糖甘露糖，聚鼠李糖半乳糖醛酸木糖；禾本科主要是聚阿拉伯糖-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖。不同原料的半纖維素含量及組成不同，如表1-6所示。除棉花纖維基本不含半纖維素外，其余各種原料中均含有一定量的半纖維素。針葉材、闊葉材、禾本科三類主要原料均含有較多的半纖維素，但其化學(xué)組分各不相同，導(dǎo)致它們在制漿造紙工藝、產(chǎn)品質(zhì)量及綜合利用等方面有一些差別。半纖維素的聚合度

40、較低（小于200，多數(shù)為80120），易吸水潤脹。半纖維素是無定形物質(zhì)，是填充在纖維之間和微細纖維之間的“粘合劑”和“填充劑”，聚合度較低，易吸水潤脹。半纖維素的存在對紙漿（張）的性質(zhì)及纖維素樣品的加工性能帶來不同程度的影響。對于一般造紙來說，保留一定量的半纖維素，有利于節(jié)省打漿動力消耗，提高紙頁的結(jié)合強度，故在符合紙張質(zhì)量的條件下應(yīng)盡量多保留木纖維素，以提高得率、降低生產(chǎn)成本。四 木材與非木材原料的主要化學(xué)組成的區(qū)別 1、針葉木纖維素含量4050%；半纖維含量20%左右，大部份是聚葡萄糖-甘露糖（主鏈）-聚已糖，小部份為聚木糖（主鏈）-聚戊糖；木素含量30%左右。 2、闊葉木纖維素含量405

41、0%；半纖維素含量30%左右，主要是聚木糖，大概8090%；木素含量20%左右。 3、草類原料纖維素含量接近于木材；半纖維素含量相當于闊葉木的高值，主要是聚木糖，大概90%； 木素含量接近于闊葉木的低值。五 植物纖維原料的少量成分及其對制漿造紙生產(chǎn)的影響原料中除上述幾種主要成分之外，通常還含有少量的抽出物和灰分等物質(zhì)。盡管這些物質(zhì)的量不太多，但往往會對制漿、漂白等生產(chǎn)過程及產(chǎn)品質(zhì)量造成不良的影響。原料的少量成分含量及組成因原料的種類、部位及產(chǎn)地的不同而異。1、抽出物及抽提劑水抽出物，包括原料中的部分無機鹽類、糖、植物堿、單寧、色素及多糖類物質(zhì)，如樹膠、粘液、淀粉、果膠質(zhì)等成分。稀堿除溶出原料中

42、能被水溶出的物質(zhì)外，還可溶出部分木素、樹脂酸、糖醛酸等，在一定程度上可檢查原料變質(zhì)、腐朽的程度。有機溶劑能溶出的物質(zhì)包括脂肪、脂肪酸、樹脂、樹脂酸、酚類化合物、蠟、可溶性單寧、香精油、色素等。2、不同原料的有機溶劑抽出物（1）針葉材的抽出物： 主要成分是松香酸、萜烯類化合物、脂肪酸及不皂化物等。針葉材的松科松屬、云杉屬、落葉松屬、黃杉屬的抽出物，主要存在于樹脂道和射線薄壁細胞中，心材的含量也比邊材高。（2）闊葉材的抽出物：在闊葉木中，抽出物主要存在于射線薄壁細胞與木薄壁細胞中，主要含游離的已酯化的脂肪酸、中性物；不含或只含少量松香酸。不同原料或同一原料的不同部位，抽出物的含量及組成往往也有很大

43、的差異。木材原料的抽出物含量及組成，直接影響制漿、漂白生產(chǎn)及廢液的回收、利用等。桉木硫酸鹽漿黑液中的多酚物質(zhì)與木素縮合，造成黑液的粘度升高。樺木漂白漿中所殘留的抽出物，對漂漿的返黃有直接影響。闊葉木硫酸鹽漿皂中的不皂化物的含量高（如樺木的硫酸鹽漿皂中含15%30%），使硫酸鹽漿皂的粘度（200C）比針葉材硫酸鹽漿皂的粘度提高了32倍，嚴重影響硫酸鹽漿皂的利用和加工性能。（3）禾本科原料抽出物： 禾本科原料的有機溶劑抽出物的含量明顯比木材原料的低，且主要成分是蠟質(zhì)，伴以少量的高級脂肪酸、高級醇。3、有機溶劑抽出物與紙漿生產(chǎn)關(guān)系樹木中有機溶劑抽出物的含量雖然不高，但由于不同材種、不同部位，抽出物的組成及含量不同，對