最新植物纤维化学(通俗易懂)(共28页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上第一章 植物纤维化学第一节 造纸纤维原料的分类制浆造纸工业使用的原料主体是植物纤维、再生纤维（废纸），其他纤维如矿物纤维、合成纤维、金属纤维等占的比重很小。制浆造纸工业用植物纤维原料品种繁多，可分类如下：一 木材纤维原料1、针叶材（needle leaved wood）图1-1 西部铁杉（Tsuga heteroptylla）原料的叶子多呈针状、条形或鳞形，故称为针叶材原料。原料的材质较松软，称为软木（soft wood）。制浆造纸工业用得最多的是云杉、冷杉、铁杉、落叶松、红松、马尾松、火炬松、湿地松、臭松、柏木等(如图1-1所示为西部铁杉)。2、阔叶材（leaf w

2、ood）图1-2 杨木（Poplar wood）原料的叶子多为宽阔状，故称为阔叶材原料。原料的材质较坚硬，称为硬木（hard wood）。制浆造纸工业用得最多的是白杨、意大利杨、欧美黑杨、桦木、枫木、桉木、榉木、楹木等（如图1-2所示为杨树）。图1-3 芦苇 （Reed）二 非木材纤维原料非木材纤维原料是我国造纸工业中使用较多的原料，其品种繁多。其中，有一年生的农业废料，也有自然生长或人工培植的禾本科等各种原料。1、竹 类如毛竹、慈竹、白夹竹、南竹、小杂竹等；2、禾草类如稻草、麦草、芦苇、甘蔗渣、高粱秆、玉米秆、棉秆等（如图1-3所示为芦苇）；3、韧皮类 一部分是树皮的皮层中含有较多的纤维，如

3、桑皮、构皮、檀皮、棉秆皮等；一部分麻类如亚麻、黄麻、大麻、苎麻等；4、籽毛类 如棉花、棉短绒；5、叶部类 部分植物叶子富含纤维，有制浆造纸价值。如龙须草、甘蔗叶。三 半木材纤维原料这类原料主要是指棉杆。棉杆的形态、结构介于木材和禾本科原料之间；分类学上属于锦葵科棉属，全世界约有35个品种。其化学成分，形态结构及物理性质与阔叶材相近。我国是世界上第二大产棉大国，有丰富的棉杆可供制浆造纸开发使用。四 二次纤维（Secondary Fiber）我国废纸分为11类：混合废纸、废包装纸箱、废瓦楞纸箱、特种废纸、废报纸、废书刊杂志、废牛皮纸、纸箱切边、办公废纸、出版物白纸边和白报纸。如图1-4所示。图1-

4、4 旧报纸（ONP）上述原料中，木材纤维原料，尤其针叶木原料是造纸的优良原料。目前我国应用最多的是马尾松、火炬松、湿地松等针叶木，杨木、桦木等阔叶木也用于造纸。我国木材资源较为紧缺，禾本科植物原料来源丰富，因此在制浆原料中禾本科植物占有一定比例。随着绿色造纸，循环经济的深入发展，越来越多的再生纤维被回用于各类纸张的生产中。第二节 植物纤维原料的生物结构及细胞形态一 木材的解剖1、木材解剖的三个切面树茎三个切面的形态如图1-5所示。（原图1-5和图1-6合并成一个图，请改图序）（1）横切面：与树干的轴相垂直的切面。（2）径切面：通过树心、与木射线平行的切面，即通过直径方向的切面。（3）弦切面：垂

5、直于木射线、与年轮相切的切面。图1-5 树径的三个切面示意图2、春材和秋材 树木的每个年轮是由两部分组成的，靠树心部分的颜色较浅，是每年生产季节的前期生长出来的，故称春材（spring wood），也称早材（early wood）；年轮中靠外圈、颜色较深部分，是每年生长季节的后期，即秋、冬天生产出来的，故称秋材（autumn wood），又称晚材（late wood）。春材纤维腔大而壁较薄，长度较短，树脂含量较低，颜色较浅，材质较疏松，强度较差；但纤维较柔软，抄纸时纤维间的结合力较大。秋材纤维的腔小而壁厚，树脂含量较低，材质紧密，颜色较深，强度较高，单根纤维较挺硬，未经打浆时成纸的紧度低，强度

6、差。秋材的密度高，单位体积的木料制浆得率高，纤维细胞较厚，打浆较困难，树脂含量也高；春材则反之。二 针叶材的生物结构、细胞类型、含量及形态针叶木中的细胞最主要是管胞，并有少量的木射线，一般不含导管。各种细胞在三个切面中的位置及形态如图1-7所示，云杉三个切面的形态如图1-8所示。图1-7 针叶材三个切面及细胞形态示意图图1-8 云杉三个切面形态图1、管胞（tracheid）管胞（如图1-9所示），即通常所说的纤维，是针叶木中最主要的细胞，一般占针叶木细胞总数的90%95%（面积法，如表1-1所示）。管胞呈纺锤状，在木材中呈纵向成束排列，与横向成排生长的木射线垂直（如图1-7、1-8所示），管胞

7、既是针叶木中输导水分的组织，又是其中唯一的支持组织。图1-9 管胞示意图表1-1 常见造纸原料的纤维及纤维细胞含量比较原料纤维薄壁细胞导管表皮细胞其他杆状非杆状马尾松98.51.5落叶松98.51.5桉 树82.45.012.6钻天杨76.71.921.4龙须草70.56.74.93.710.73.5荻65.54.924.54.80.3甘蔗渣64.310.618.65.31.2注：各种细胞的含量以各种细胞的面积对全部细胞的总面积的百分数计。2、木薄壁组织针叶材中的射线细胞，壁薄而腔大，长度小，呈长方形，是木材中沿径向排列的细胞，在横切面上呈辐射状，并贯穿多个年轮；在木质部中称为木射线，在韧皮部

8、中称韧皮射线。在树木的生产过程中，射线细胞通过纹孔与其他细胞相通，起着横向流通及储存营养的作用；在蒸煮过程中，木射线有利于药液的扩散。尽管针叶材的射线细胞体积甚小，长度极短，没有制浆造纸价值，但由于其量不多，故对纸浆（张）的质量不会产生不良影响。3、树脂道树脂道是部分针叶材独有的特征，是由若干个分泌细胞所围绕成形的一种胞间道。它不是一个细胞，也不是一个组织，而是细胞间隙，中间充满树脂，故称为树脂道(如图1-10、1-11所示)。图1-10 松木树脂道结构图三 阔叶材的生物结构、细胞类型、含量及形态1、阔叶材的生物结构图（如图1-12、13、14所示）（1）横切面：图1-12 南京杨切面图（2）

9、弦切面：（3）径切面：2、细胞类型、含量及形态（1）木纤维： 木纤维（wood fibre），即纤维细胞，是阔叶材的最主要细胞和支持组织。纹孔多是具缘纹孔，由于细胞壁状增厚，使纹孔由长椭圆形逐渐变为缝隙状或孔腔完全消失而成为单纹孔。平均长度为1mm，直径一般小于20um，阔叶木浆不适于单独抄造高强度纸张。阔叶材中的纤维细胞含量明显低于针叶材的纤维细胞含量，多数材种的纤维细胞含量为60%80%。（如表1-1所示）（2）管胞： 阔叶材中的管胞数量少，但形态与针叶材中的管胞相似，其胞壁上的纹孔为具缘纹孔，纹孔缘明显。（3）导管： 导管是阔叶材中的水分输导组织，是由直径很大的管状细胞的端壁相连接而成的

10、。（4）薄壁细胞及木射线薄壁细胞：部分阔叶材的木薄壁组织较发达，在横切面上呈现各种类型的分布，其颜色比周围的基本组织浅，特别是横切面上用水湿润后很容易观察到，是识别阔叶材的重要特征。如图1-15、1-16所示。图1-15 薄壁细胞示意图图1-16 木射线细胞示意图四 针叶材与阔叶材生物结构的区别针叶材与阔叶材原料的主要特点比较如表1-2所示。表1-2 针叶材、阔叶材组织结构比较项目针叶材阔叶材年轮除热带外，多数地区中年轮界线明显除环孔材和部分半环孔材外，不明显细胞类型细胞种类少，管胞占9095%，此外仅有少量木射线，结构简单细胞种类多，木纤维含量低，又有导管、木射线及纵向薄壁细胞，还有少量的管

11、胞，结构复杂木射线特点一般为单列，且为同型木射线部分为单列，多数为双列甚至多列，有同型射线，又有异型射线纤维形态及纹孔较粗且长，纹孔明显又短又细，多数纤维的纹孔不明显树脂道部分针叶材中有树脂道没有树脂道纤维排列规则性横切面中纤维排列规则性强，木材结构较均匀受导管影响，纤维排列规则性不如针叶材，且不同材种的规则性差别甚大五 禾本科纤维原料的生物结构、细胞类型、含量及形态图1-17 禾秆构造示意图1、禾秆的构造 任何一个禾秆都是由若干个节所组成的，每个节又是由节部和节间所构成的（如图1-17所示）。节间和节部是通过生长带来联系的。2、禾秆的细胞组成、形态（1）纤维细胞： 纤维细胞是禾本科植物纤维原

12、料的最主要细胞，是禾秆的支持组织，是制浆造纸的主要成分。但是，禾本科原料的纤维含量低（仅4070%面积法，如表1-1所示），纤维较短，其制浆造纸价值比木材原料低。（2）薄壁细胞（parenchyma）： 薄壁细胞，又称基本组织（ground tissue），是禾本科原料中除纤维细胞外的另一类主要细胞。薄壁细胞在植物生长过程中起着储存营养的作用。薄壁细胞腔大而壁薄，吸水量为自身质量的15倍（纤维细胞仅5倍），蒸煮时液比需加大。薄壁细胞的长度甚短，不单会给洗浆及抄纸等操作带来麻烦，而且会影响成纸的强度和形态稳定性。因此，原料的薄壁细胞含量越高，其制浆造纸价值就越低。 薄壁细胞的长度极短，粘结、交织

13、能力甚差，大量的薄壁细胞对制浆造纸生产及产品质量、废液回收等方面均有不良影响，这是草类原料的特点和缺点。通过备料及纸浆的筛选，降低浆中薄壁细胞的含量，是改善草浆质量的一项有效措施。（3）导管： 导管是植株的输导组织，根从土壤中吸收的水分和营养就是通过导管由下往上输送的。（4）表皮细胞： 禾本科的表皮细胞，位于叶子和禾秆的外表面，其作用是保护植株的内部器官。 碱法制浆时硅细胞和栓质细胞被碱溶解，增加废液的硅酸钠含量，提高黑液粘度，降低洗浆效率，增加碱回收的“硅干扰”危害。第三节 主要植物细胞的构造一 纤维细胞的形成及纤维植物细胞的显著特征之一是具有细胞壁；细胞壁包围在细胞的最外层，使细胞具有一定

14、的形状。图1-18 纤维细胞壁的微细结构模型植物纤维细胞是造纸植物纤维原料中最主要、最基本的细胞。根据细胞壁形成的先后、化学成分和结构等方面的差异，细胞壁可以分成胞间层、初生壁和次生壁三个部分；细胞壁上还有纹孔、胞间联丝等结构以实现细胞之间水分及其它物质的输导、流通。如图1-18和表1-3所示。植物细胞分裂产生新细胞时，在两个细胞之间形成了一层薄膜，称为胞间层，即中间层（middle lamella 简称ML）。在细胞的形成和生长阶段，原生质体所分泌的纤维素、半纤维素等在胞间层的内侧沉积形成了初生壁（primary wall 即P层）。初生壁停止生长之后，原生质体所分泌的纤维素等产物在P层内侧

15、沉积形成的细胞壁，称为次生壁（secandary wall 即S层）。根据形成的先后，次生壁可分为外层（S1）、中层（S2）和内层（S3）。所有植物细胞都具有初生壁，但并不都具有次生壁。表1-3 主要细胞结构的区别细胞结构形成时期成分特点胞间层细胞分裂末期果胶粘合力强，性质不稳定，容易在酸、碱、酶的作用下破坏初生壁细胞生长过程中纤维素、半纤维素、少果胶厚1-3m，填充生长，网架结构，薄而可延伸，可随细胞生长不断扩大表面积次生壁细胞停止生长后纤维素、半纤维素及其它物质厚5-10m，附加生长，厚而坚韧，只有厚度的增加，没有面积的扩大二 纤维形态及其与纸浆（张）性质的关系1、常见原料的细胞组成比较针

16、叶材：管胞、木射线管胞和木射线薄壁细胞；阔叶材：木纤维、管胞、导管、薄壁细胞及木射线薄壁细胞；禾本科：纤维细胞、杂细胞。多数杂细胞都具有腔大、壁薄、长度短的特点，制浆时会吸收大量蒸煮药液；洗浆时会堵塞洗浆机洗鼓的网孔，降低洗涤能力；成纸时缺乏粘结、交织能力，降低成纸的强度；表皮细胞在碱法制浆时会增加废液的硅含量，形成硅干扰；在酸法浆中则成片状存在、增加纸病。总之，原料的杂细胞含量越高，其制浆造纸价值就越低。2、纤维形态及其与纸张性质的关系（1）长度：纤维的长度，在测定原料的纤维形态时是指完整的纤维长度；在测定纸浆的形态变化时则包括所有纤维的长度（即包括完整的和生产过程中折断，磨碎的）。（2）宽

17、度：指纤维中段的直径。（3）长宽比：纤维长度/纤维宽度的比值，称长宽比。长宽比大的纤维，成纸时单位面积中纤维之间相互交织的次数多，纤维分布细密，成纸强度高，特别是撕裂度、裂断长、耐折度等强度指标。反之，则单位面积中纤维之间交织的次数少，成纸的强度较低。长宽比是作为评价原料纤维的制浆造纸价值的重要标准。常见的造纸植物纤维原料的纤维形态特征如表1-4所示。表1-4 常见的造纸植物纤维原料的纤维形态特征原料长度（mm）宽度（um）长宽比单壁厚（um）腔径（um）壁腔比非纤维细胞含量(%)平均一般平均一般芦苇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龙须草2.101.342.8510.48.312.72023.33.12.1329.5毛竹2.001.232.7116.212.319.61236.62.904.5531.2毛白杨0.8220.839.54.912.10.81马尾松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红松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落叶松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山杨0.860.651.1417.414.723.55023.3桉木0.680.550.7916.813.218.34317.6注：非纤维细胞含量用面积法计算应该指出，用长宽比作为标准来评价某些原料的纤维特性是有一定意义的，但用以比较木材原料和草类原料时则存在一定的片面性。不少禾本科原料纤维的长宽比远比针叶材纤维为大，但其成纸的强度则比针叶材纤维低得多。原料纤维的绝对长度是最基本、最重要的形态指标，对纸张的裂断长、耐折度、撕裂度等指标有大的影响。壁腔比：细胞壁厚度与细胞腔直径的比值 壁腔比1者为很好原料，壁腔比1为好原料，壁腔比1者为劣等原料。纤

20、维的壁腔比不同，则它们的柔软程度不同。壁腔比小（即纤维的柔软性好）的纤维，成纸时纤维间的接触面积较大，结合力强，成纸的强度高；反之，壁腔比大的纤维较僵硬，成纸时纤维间的接触面积较小，结合力小，成纸的强度差。壁腔比大小对成纸的耐破度指标的影响尤为显著。影响纸张强度的因素很多。从纤维形态的角度来看，主要是三个因素，即：1、纤维的交织能力；2、纤维的结合能力；3、纤维自身的强度。纤维的交织能力受纤维长度的影响最大，对纤维的撕裂强度起决定性作用。纤维的结合能力及纤维的自身强度（单根纤维强度）则直接与纤维细胞壁厚度及壁腔比有关。细胞壁薄、胞腔大的纤维在打浆及成纸过程中纤维容易扁塌，从而在纤维与纤维间形成

21、较大的接触面，纸页干燥时在这些部位产生较多的氢键结合，于是纤维间结合强度就好，表现在纸的物理强度上是抗张力较好，耐破度较好，这两项指标受纤维结合力影响最为明显。用壁薄、腔大的纤维造纸，一般纸页紧度较高，不透明度较低，纸面较细平。相反，用细胞壁较厚，壁腔比较大的纤维造纸，纤维不易扁塌，形态多呈柱状，成纸时纤维与纤维间的结合面小，往往是线结合或点结合，因此受结合力影响较大的某些指标，一般不如薄壁纤维。晚材率高的树种，细胞壁厚，成纸物理强度稍差。常见三种针叶材的细胞壁厚度如表1-5所示。表1-5 几种纤维原料的细胞壁厚材种材龄特性平均一般壁腔比红松早材壁厚3.53.04.00.25腔径27.7203

22、5晚材壁厚4.34.05.00.61腔径14.08.018马尾松早材壁厚3.83.05.00.23腔径33.12540晚材壁厚8.77.0101.05腔径16.61320红松早材壁厚3.53.04.00.21腔径33.62840晚材壁厚9.37.0101.48腔径12.68.025图1-19针叶木浆纤维形态图（Cells of softwood trees）几种常见纤维的形态如图1-19、1-20、1-21、1-22所示。1-20阔叶木浆纤维形态图1-21阔叶树木不同树种的细胞形态（Cells of hardwood trees）2-22荻苇浆纤维形态图（Cells of reed）第四节 植

23、物纤维原料的主要成分及其性质一、木素1、 木素的概念（1）木素的概念： 木素是由苯基丙烷结构单元（即C6-C3单元）通过醚键、碳-碳键联接而成的芳香族高分子化合物。不同原料的木素含量及组成不同。针叶材原料的木素含量最高，一般可达30%左右；禾本科原料的木素含量较低，一般为20%或更低；阔叶材原料的木素含量一般介于针叶材和禾本科两类原料之间，为21%左右。如表1-6所示。表1-6 常用三类原料的主要化学成分比较项目单位软木硬木禾本科纤维素%454542半纤维素%263440其中：木糖%92533葡萄糖-甘露糖%1650木素%292117原料中，木素是填充在胞间层及微细纤维之间的“粘合剂”和“填充

24、剂”；木素是原料及纸浆颜色的主要来源；原料及纸浆中的木素含量是制订蒸煮及漂白工艺技术条件的重要依据。针叶材原料的木素含量高，难蒸煮、漂白；禾本科原料的木素含量低，较易蒸煮、漂白；阔叶材原料则介于两者之间。木素含量高低及木素性质不同，纸浆的白度及白度稳定性也将不同。生产中，应根据纸浆质量对白度及白度稳定性的不同要求，将木素除去不同的程度。对纤维素衍生物及高白度、高白度稳定性纸张的生产用浆，蒸煮、漂白时必须尽量除去木素；对新闻纸等对白度、白度稳定性要求不高的生产用高得率纸浆，漂白时可采用H2O2、Na2S2O2等进行。（2）木素在植物内的作用：图1-23 木材纤维分离示意图木材中，木素作为一种填充

25、和粘结物质，在木材细胞壁中，能以物理或化学的方式使纤维素纤维之间粘结和加固，增加木材的机械强度和抵抗微生物侵蚀的能力，使木化植物直立挺拔和不易腐朽。如图1-23所示。（3）木素的含量：针叶木（裸子植物）中，木素含量2535%，阔叶木（被子植物中的双子叶植物）木素含量达2025%，单子叶植物中禾本科植物一般含量1525%。如表1-6、图1-24所示是针叶木硫酸盐浆和机械浆中木素含量，图1-25所示是针叶木硫酸盐浆的组成分布。图1-24 针叶木硫酸盐浆和机械浆中的木素含量图1-25 硫酸盐浆的组分分布2、 木素的功能基图1-26 愈疮木基丙烷、紫丁香基丙烷、对-羟基苯基丙烷结构图木素分子中存在多种

26、功能基，主要是甲氧基（-OCH3）、羟基（-OH）、羰基（-CO）。主要功能基经过生物合成为愈疮木基、紫丁香基、对-羟基苯基等基本结构单元（如图1-26所示），从而使植物界多姿多彩，呈现多样性。研究表明：针叶木，愈疮木基丙烷含量在8090%，受压材（Compression wood）约含70%愈疮木基丙烷和少量的对-羟基苯基丙烷；阔叶材和草类原料，愈疮木基丙烷、紫丁香基丙烷和少量的对-羟基苯基丙烷。3、 木素结构单元间的联接（1）木素苯基丙烷间的联接形式：醚键联接：约为6070%。其主要联接形式是-烷基-芳基醚（-4）、二烷基醚（-）、-烷基-芳基醚（-4）、二烷基醚键联接（4-5，）（化学性

27、质稳定）、甲基-芳基醚键联等五种形式。碳-碳键联接：约为3040%。其主要联接形式是-5型联接、-1型联接、5-5型联接、-6型联接、-6型联接、-型联接、-型联接等七种形式。（2）木素-碳水化合物复合体（LCC）：研究者认为，木素不是简单地沉积在细胞壁聚糖（碳水化合物）间，亲水性的多糖和疏水性的木素之间肯定是具有某种相互作用。在制备综纤维素时，如果要从木材原料中把木素完全除去，必然会使一部分聚糖随之损失；如果要保持聚糖的完整，则不能把木素彻底除净。在木材的硫酸盐蒸煮过程中，从初期到后期，在蒸煮液里均能发现木素和半纤维素的复合体。这些事实使人们逐步认识到，木素和聚糖之间有着牢固的联接。现在的研

28、究表明，木素和半纤维素之间确实存在化学键，构成木素-碳水化合物复合体（Lignin-Carbohydrate Complex简称LCC）。木素-碳水化合物复合物之间的联接键型主要是-醚键结合、苯基糖甙键、缩醛键、酯键、自由基结合而成的-C-O-或-C-C-结合等五种形式。了解木素在木材中的含量、基本结构单元和联接形式，对于制浆工艺来说有着十分重要的意义。4、木素的物理性质及其利用（1）颜色： 原本木素是一种白色或接近无色的物质，人们所见到的木素的颜色，是在分离和制备过程中形成的。如云杉Brauns木素是浅奶油色，酸木素、铜氨木素和过碘酸盐木素的颜色较深，在浅黄色到深褐色之间。在硫酸盐法制浆蒸煮

29、后，浆料的颜色比木材本身的颜色要深的原因是，蒸煮过程中形成了碱木素和硫化木素的缘故。（2）相对密度： 自木化植物分离的木素大都是无定型的粉末，其相对密度为1.300-1.500。数值的大小因测定方法和木素制备方法的不同而有区别。（3）光学性质（折射率）： 木素结构中没有不对称碳，因此没有光学活性。云杉铜氨木素的折射率是1.61，这证明了木素的芳香族特性。而芳香族化合物对紫外光有特性吸收，从而赋予含木素较高的机械浆抄造的纸，具有优良的不透明性能。（4）溶解度： 原本木素一般不溶于任何溶剂，分离木素往往有一定的溶解度，但因植物种类、分离方法和溶剂的不同而差别较大，很难找到一个确定值。（5）熔点：

30、木素的熔点往往不是一个固定的物理常数，如云杉碱木素的熔点为1860C，有两种工业碱木素的熔点分别为1400C和1700C。（6）木素的热性质： 木素的热性质即木素的热可塑性，其对机械浆制造和抄纸压光，是一项重要的性质。各种分离木素的软化温度，即常说的玻璃转化点，干燥木素在1271930C，随树种、分离的方法、分子量大小而异。吸水润胀后的木素，软化点大大降低。而随着分子量加大，其软化点、玻璃转化温度上升。在机械制浆时，木片含有一定的水份，木片中木素的软化点在水作用下降低，从而有利于纤维的分离。因此，深入了解木素的热性质对于制浆工程是非常重要的。表1-7列出了木素的含水率和软化点。表1-7 木素的

31、含水率和软化点树种木素含水率/%软化点/0C云杉过碘酸木素01933.915912.611527.190桦木过碘酸木素017910.7128云杉二氧六环木素(低分子)01277.172二氧六环木素(高分子)01467.292针叶木木素磺酸钠023521.2118（7）木素的利用： 木素是仅次于碳水化合物在自然界大量存在的天然高分子材料，其利用仅仅限于制浆废液中的木素，利用率大约在2%左右。硫酸盐法废液中的木素，在碱回收时作为能源回收；有的工厂用98%浓硫酸从黑液中提取木素，用着分散剂、粘合剂的原料。二 纤维素1、纤维素的概念（1）纤维素的概念： 纤维素是在常温下不溶于水、稀酸和稀碱的D-葡萄糖

32、基以-1，4苷键联接起来的链状高分子化合物。6CO2+6H2O+674千卡 =C6H12O6+6O2纤维素是植物纤维原料的最主要化学成分，也是纸浆、纸张的最主要、最基本的化学成分。原料的纤维素含量高低，是评价原料的制浆造纸价值的基本依据。常用的三类植物纤维原料（针叶材、阔叶材、禾本科）的纤维含量如表1-6所示。 纤维素是生产过程中必须尽量保护的，以免造成纸浆得率、强度下降，生产成本提高。（2）葡萄糖基的键结合：纤维素大分子的基本结构单元是D-吡喃式葡萄糖基。其分子式为（C6H10O5）n，式中n为葡萄糖基数目，称为聚合度。葡萄糖基间联接都是-苷键连接，由于苷键的存在，使纤维素大分子对水解作用的

33、稳定性降低，在酸或高温下与水作用，可使苷键破裂，纤维素大分子降解。纤维素化学结构式的结构单元中，含有三个游离醇羟基，分别处于葡萄糖基环的2、3、6位，其中在C6上的羟基为伯羟基，而C2、C3上的羟基为仲羟基。这些羟基对纤维素的性质有决定性的影响，可以发生氧化、酯化、醚化反应，分子间形成氢键。氢键在干燥过程中对纸页固化有着重要意义。纤维素大分子的两个末端基的性质是不同的。一端为还原性末端基，另一端为非还原性端基。还原性末端基对碱极不稳定，容易发生剥皮反应，如图1-27所示。图1-27 葡萄糖两个末端基结构图2 纤维素性质（1）吸湿和解吸：吸湿：当纤维素自大气中吸取水或蒸汽时,称为吸湿。解吸：因大

34、气中降低了蒸气分压而自纤维素放出水或蒸汽时，称为解吸。在纤维素的无定形区中，链分子中的羟基只是部分地形成氢键，还有部分的羟基仍是游离羟基。由于羟基是极性基团，易于吸附极性的水分子，并与吸附的水分子形成氢键结合，这就是纤维吸湿的内在原因。结合水：一部分是进入纤维素无定形区与纤维素的羟基形成氢键结合的水，称为“结合水”。游离水：当纤维素物料吸湿达到纤维饱和点后，水分子继续进入纤维的细胞腔和孔隙中，形成多层吸附水或毛细管水，这种水称为“游离水”。纸张的强度在某一水分含量而达到最大值，低于此值则纸张发脆强度下降，高于此值则由于润胀作用又破坏了纤维之间的氢键结合，强度也会下降。纤维素物质在绝干时是良好的

35、绝缘体，吸湿时则电阻迅速下降。（2）纤维素的热降解：第一阶段：纤维素物理吸附的水进行解吸，温度范围是251500C；第二阶段：纤维素结构中某些葡萄糖基开始脱水，温度范围是1502400C；第三阶段：纤维素结构中糖甙键开始断裂，一些C-O键和C-C键也开始断裂，并产生一些新产物和低分子量的挥发性化合物，温度范围是2404000C；第四阶段：纤维素结构的残余部分进行芳环化，逐步形成石墨结构，温度范围在4000C以上。（3）纤维素的机械降解：纤维素原料经磨碎、压碎或强烈压缩（如切削木片时，木片一端被强烈压缩）时，纤维素往往受到机械作用而降解，表现为聚合度下降，制成纸浆后强度下降。（4）纤维素的酸水解

36、降解：纤维素大分子中的1，4-苷键是一种缩醛键，对酸特别敏感，在适当的氢离子浓度、温度和时间作用下，苷键断裂。纤维素酸水解表现为：聚合度下降,一般降至200以下则粉末；纤维素酸水解后吸湿能力改变，水解开始阶段纤维素的吸湿性有明显降低，到了一定值后再逐渐增加；酸水解纤维素聚合度下降；酸水解纤维素还原能力增加；酸水解纤维素纤维机械强度下降。（5）纤维素的碱性降解： 纤维素的配糖键在一般情况下，对碱是比较稳定的，纤维素也会受到碱性水解。与酸性水解一样，碱性水解使纤维素的配糖键部分断裂。 在碱性溶液中，即使在很温和的条件下纤维素也能发生剥皮反应。剥皮反应就是在碱的影响下，纤维素具有还原性末端基的葡萄糖

37、基会逐个掉下来，直到产生纤维素末端基转化为偏变糖酸基的稳定反应为止，掉下来的葡萄糖基在溶液中最后转化为异变糖酸，并以其钠盐的形式存在于蒸煮液中。3、与纤维素有关的几个概念（1）综纤维素（holo cellulose）：又称总纤维素（total cellulose），造纸植物纤维原料除去抽出物和木素后所留下的部分。（2）化学浆的-纤维素、-纤维素、-纤维素、工业半纤维素：用17.5%NaOH（或24%KOH）溶液在20下处理综纤维素或漂白化学浆45min，将其中的非纤维素的碳水化合物大部分被溶出，留下的纤维素与抗碱的非纤维素碳水化合物，分别称为综纤维素的-纤维素或化学浆的-纤维素。用漂白化学木浆

38、时，在上述处理中所得溶解部分，用醋酸中和沉淀出来的部分，称为-纤维素；不沉淀的部分称为-纤维素。在漂白化学浆中，-纤维素包括纤维素和抗碱的半纤维素。-纤维素为高度降解的纤维素与半纤维素。-纤维素全为半纤维素。-纤维素与-纤维素包含植物原料制成漂白浆后留在浆内的天然半纤维素，也有一部分是纤维素在制浆过程中的降解产物。习惯上将-、-纤维素之和称为工业半纤维素，以示与天然半纤维素有别。三 半纤维素1、半纤维素的概念是指植物纤维原料中除纤维素以外的全部碳水化合物（少量的果胶质和淀粉除外），即非纤维素的碳水化合物。植物细胞壁中的纤维素和木素是由聚糖混合物紧密地相互贯穿在一起的，此聚糖混合物也称为半纤维素

39、。2、半纤维素的基本组成及性质半纤维素是由多种糖单元组成的，常见的半纤维素：针叶材主要是聚-O-乙酰基半乳糖葡萄糖甘露糖，聚阿拉伯糖-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖，聚阿拉伯糖半乳糖；阔叶材主要是聚-O-乙酰基-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。不同原料的半纤维素含量及组成不同，如表1-6所示。除棉花纤维基本不含半纤维素外，其余各种原料中均含有一定量的半纤维素。针叶材、阔叶材、禾本科三类主要原料均含有较多的半纤维素，但其化学组分各不相同，导致它们在制浆造纸工艺、产品质量及综合利用等方面有一些差别。半纤维素的聚合度

40、较低（小于200，多数为80120），易吸水润胀。半纤维素是无定形物质，是填充在纤维之间和微细纤维之间的“粘合剂”和“填充剂”，聚合度较低，易吸水润胀。半纤维素的存在对纸浆（张）的性质及纤维素样品的加工性能带来不同程度的影响。对于一般造纸来说，保留一定量的半纤维素，有利于节省打浆动力消耗，提高纸页的结合强度，故在符合纸张质量的条件下应尽量多保留木纤维素，以提高得率、降低生产成本。四 木材与非木材原料的主要化学组成的区别 1、针叶木纤维素含量4050%；半纤维含量20%左右，大部份是聚葡萄糖-甘露糖（主链）-聚已糖，小部份为聚木糖（主链）-聚戊糖；木素含量30%左右。 2、阔叶木纤维素含量405

41、0%；半纤维素含量30%左右，主要是聚木糖，大概8090%；木素含量20%左右。 3、草类原料纤维素含量接近于木材；半纤维素含量相当于阔叶木的高值，主要是聚木糖，大概90%； 木素含量接近于阔叶木的低值。五 植物纤维原料的少量成分及其对制浆造纸生产的影响原料中除上述几种主要成分之外，通常还含有少量的抽出物和灰分等物质。尽管这些物质的量不太多，但往往会对制浆、漂白等生产过程及产品质量造成不良的影响。原料的少量成分含量及组成因原料的种类、部位及产地的不同而异。1、抽出物及抽提剂水抽出物，包括原料中的部分无机盐类、糖、植物碱、单宁、色素及多糖类物质，如树胶、粘液、淀粉、果胶质等成分。稀碱除溶出原料中

42、能被水溶出的物质外，还可溶出部分木素、树脂酸、糖醛酸等，在一定程度上可检查原料变质、腐朽的程度。有机溶剂能溶出的物质包括脂肪、脂肪酸、树脂、树脂酸、酚类化合物、蜡、可溶性单宁、香精油、色素等。2、不同原料的有机溶剂抽出物（1）针叶材的抽出物： 主要成分是松香酸、萜烯类化合物、脂肪酸及不皂化物等。针叶材的松科松属、云杉属、落叶松属、黄杉属的抽出物，主要存在于树脂道和射线薄壁细胞中，心材的含量也比边材高。（2）阔叶材的抽出物：在阔叶木中，抽出物主要存在于射线薄壁细胞与木薄壁细胞中，主要含游离的已酯化的脂肪酸、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，抽出物的含量及组成往往也有很大

43、的差异。木材原料的抽出物含量及组成，直接影响制浆、漂白生产及废液的回收、利用等。桉木硫酸盐浆黑液中的多酚物质与木素缩合，造成黑液的粘度升高。桦木漂白浆中所残留的抽出物，对漂浆的返黄有直接影响。阔叶木硫酸盐浆皂中的不皂化物的含量高（如桦木的硫酸盐浆皂中含15%30%），使硫酸盐浆皂的粘度（200C）比针叶材硫酸盐浆皂的粘度提高了32倍，严重影响硫酸盐浆皂的利用和加工性能。（3）禾本科原料抽出物： 禾本科原料的有机溶剂抽出物的含量明显比木材原料的低，且主要成分是蜡质，伴以少量的高级脂肪酸、高级醇。3、有机溶剂抽出物与纸浆生产关系树木中有机溶剂抽出物的含量虽然不高，但由于不同材种、不同部位，抽出物的组成及含量不同，对制浆、漂白、漂浆白度及白度稳定性、废液回收及利用等方面都带来不同程度的影响。在制浆过程中，抽出物的含量高会阻碍药液的浸透。在碱法制浆过程中，抽出物中的树脂酸、脂肪酸能与碱反应，生成的皂化物称为塔尔油（tall oil）。在机械法制浆过程中，这些抽出物只是被加热、软化成油状物，漂浮在浆水体系中，易粘附到浆池壁、管道内壁、流浆箱、网子、毛毯、压榨辊、烘缸等地方，给生产过