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第一章植物纤维原料的生物结构与化学组成篇

第一节植物的基本类群和分类

1.植物的分类

界门纲科属种

命名方法：双名法

2.造纸植物纤维原料的分类

（一）木材纤维原料

针叶材原料（种子植物门祼子植物亚门松柏纲植物）软木

例如：云衫，冷杉，马尾松，落叶松，红松，白松，湿地松，火炬松

硬木软木区分（针叶材显微细胞中间的厚叶细胞空腔比阔叶的细胞壁要薄，纤维细胞更软便称之为软木）

阔叶材原料（种子植物门被子植物亚门双子叶植物）硬木

例如杨木，桦木，枫木，按木、榉木、槭木和相思木

（二）非木材纤维原料

禾本科纤维原料：玉米杆，毛竹，麦草、稻草、芦苇荻，甘蔗渣，高梁杆、慈竹，白夹竹、楠竹

韧皮纤维原料：

（1）树皮类：桑皮、檀皮、构皮、雁皮、三桠皮，棉杆皮等。特点一多长纤维较高的制浆价值。果胶质含量比较高木素

（2）麻类：红麻、大麻、黄麻、青麻、苎麻、亚麻、罗布麻

叶部纤维原料：香蕉叶、龙舌兰麻，甘蔗叶、龙须草有丰富的纤维

种毛纤维原料：棉花、棉短绒和各种类质废料（古棉）等。

（三）棉杆（半木纤维原料）：棉杆的形态和结构介于木材与禾本科原料之间，棉秆皮部果胶含量较高，纤维长，木质部纤维长度和化学组成均与阔叶木材相当。但是把皮部从木质部分离出来难度高成本大

第二节植物纤维原料的化学组成

主要化学成分（纤维素，半纤维素、木素）在原料中，这三种成分构成植物体的支持骨架，占纤维原料组成的大部分，约占原料总质量80%~95%。此外（moreover）还含有少量的单宁、果胶质、树脂、脂肪、腊、配糖物以及不可皂化物等

纤维素

定义:由D-吡喃式葡萄糖通过1，4-β苷键联结而成的不溶于水的线状高分子化合物。

纤维素是纸浆的主要组成，化学制浆过程中尽量使之不受破坏，以提高纸浆得率及成纸强度

具有X射线图（存在结晶区）平均聚合度均为1万（聚合度是指有多少个葡萄糖个数）木材才经过蒸煮与漂白后的化学聚合度只有1000左右，在其过程中纤维素发生降解

半纤维素

定义:高等植物细胞壁中非纤维素也非果胶类物质的多糖。由两种或两种以上单糖基组成的不均一聚糖，大多带有支链。

在生产一般纸张用化学浆时，半纤维素是应适当多保留的成分，这样不仅可提高制浆得率，而且对纸浆的打浆能耗及成纸性能有良好的影响。但在生产纤维素的衍生物工业用纸浆时，半纤维素则应尽量除去。

木素

定义:木素是由苯基丙烷结构单元通过碳-碳键、醚键连接而成的具有三度空间结构的高分子聚合物。

木素是化学制浆中需要去除的组分，在蒸煮和漂白过程中要尽可能在减少扫损失纤维素和半纤维素的情况下除去木素。

三种类型:G、S、H

与碳水化合物有关的一些名词含义

综纤维素

a一纤维素．b一纤准素，y一纤维工业半纤维

习惯上将β-与γ-纤维素之和称为工业半纤维素，以与天然半纤维素区别。工业半纤维素包括:漂白浆中残留的天然半纤维素和制浆过程中纤维素的降解产物。化学浆中的α-纤维素含量对纤维素衍生物和纸的改性处理等生产过程及产品质量影响很大。

定义:造纸植物纤维原料除去抽出物和木素后所留下的部分，即纤维素和半纤维素的总称，又称全纤维素。

制备方法:

1)氯化法:(1937年Ritter提出)

2)亚氯酸钠法:(1942年Jayme提出)

用亚氯酸钠处理无抽提物试料，将木素氧化除去，得到含有部分降解的碳水化合物的产物即为综纤维素。（纤维素始终不溶于水）

3）二氧化氯法唯一个是把木素氧化除去的 4）过醋酸法

克贝纤维素

注:同一原料不同方法所获得的纤维素量比较: 综纤维素 > 克贝纤维素 > 硝酸乙醇法纤维素

硝酸—乙醇纤维素

常见植物纤维原料的主要化学组成

(一)抽出物

定义:抽出物:能够被水、稀碱溶液、有机溶剂抽提出来的物质。

有机溶剂抽出物、热（冷）水抽出物、稀碱抽出物

(二)不同原料的有机溶剂抽出物

乙醚

针叶材——心材抽出物含量高——木射线薄壁细胞树脂道

阔叶材——木射线细胞木射线薄壁细胞

禾本科—— 皮部的外表皮

(三)有机溶剂抽出物的化学组成

5种萜烯类脂肪族芳香族黄酮类化合物环多醇

三、常用植物纤维

(一)常用植物纤维原料化学组成比较

针叶材和阔叶材两种原料的纤维素含量相近，阔叶材半纤维素含量高于针叶材，而针叶材木素含量高于阔叶材。禾本科原料较木材原料含有更多的无机物，其无机物的主要化学组成为二氧化硅。

(二)常用植物纤维原料化学组成实例

1、木材的化学组成

2、树干与树枝化学组成的区别:树枝的纤维素含量较少，木素含量多，聚戊糖、聚甘露糖含量少（多糖），热水抽出物含量较高。

3、树皮的化学组成:树皮又可以分为外皮和内皮。树皮的化学组成特点为，灰分多，热水抽出物含量高，纤维素和聚戊糖含量较少。某些树种的树皮内含有大量的鞣质(在热水抽出物中)，较多的木栓质(一种脂肪性物质)和果胶质。

4、禾本科植物纤维原料的化学组成

禾本科植物纤维原料的木素含量除竹子与针叶木材接近外，大多数比较低接近阔叶材的低值，其中稻草杆含量最低，但草节、草叶、草穗木素含量却很高。

禾本科植物中聚戊糖（半纤维素多种糖类单元组合而成的一种物质）含量比针叶材高的多，相当于阔叶材的高值。禾本科植物中，大多数品种的纤维素含量都接近木材原料的水平，但稻草、玉米秆、高粱秆等原料偏低。

禾本科植物的热水抽出物及1%的氢氧化钠抽出物含量比木材高，以稻草、麦草、玉米秆为最高。禾本科植物原料的灰分含量均高于木材原料，以稻草最为突出，且灰分中的主要化学成分为二氧化硅

5、韧皮纤维原料的化学组成树韧皮纤维原料的麻类、檀皮、构皮、桑皮等是造纸的优质原料。麻类纤维原料均含有较多的纤维素。

除少数麻类如黄麻、青麻外，其他麻类的木素含量较少，果胶质较多，因此麻类纤维原料制浆的主要任务是脱果胶。除麻类外的韧皮纤维原料化学组成的特点是，果胶质、木素、灰分含量较麻类高，但木素含量较一般草类原料低。这些原料的化学制浆过程既要脱果胶又要脱木素。

6、棉纤维、棉秆的化学组成

棉纤维的化学组成主要是纤维素，只含有少量的果胶质、脂肪与蜡，灰分含量极少，所以棉纤维经脱脂后，几乎是纯纤维素。棉秆皮中果胶质含量较高。棉秆皮的外皮会对制浆产生不良的影响，但内皮是较好的纤维原料，但极难将其与外皮分开。

(四)果胶质

定义:果胶酸是聚半乳糖醛酸，它不溶于水，果胶酸中的羟基中80%以上被甲基酯化，一部分被中和成盐，使其变成部分可溶于水的物质，称为果胶质。

果胶酸

不含甲基酯的聚半乳糖醛酸

果胶物料:果胶质与其它聚糖如聚半乳糖(DP=33~50)、聚阿拉伯糖(DP=34~100)和少量鼠李糖伴生在一起形成一个复合体称为果胶物料。

(五)无机物

灰分:试样经高温碳化和燃烧后的残渣

硅干扰:草类原料中的二氧化硅在碱法制浆的过程中，形成不同形式的硅酸盐，溶于碱法制浆的废液中。大量硅酸盐的存在，使废液黏度升高，洗涤时黑液提取率降低，给黑液的蒸发、燃烧、苛化、白泥回收等过程都带来了麻烦，使用螯合剂除去

第三节木材纤维原料的生物结构及细胞形态

一、树木的粗视结构

树木是由树根、树干、树枝、树叶等几个主要部分组成的。树干是构成树木的主要部分，制浆造纸工业主要是利用树干。树干又是由树皮、形成层、木质部和髓心等部分组成。

(一)木材解剖的三个切面

横切面，与树干垂直的切面。

径切面，通过树木髓心（树心树木的中心位置）与横切面垂直的切面，又称辐射切面。

弦切面，垂直横切面与年轮相切的切面，又称切线切面。

(二)树皮

树皮是树干的最外层是树干的保护层，尤其是保护树木的形成层免受外界气候变化的影响。

树皮分为外皮和内皮

外皮是由死亡的木栓细胞组成的，外皮的厚薄、颜色和外部形态因树种的不同而有异，其作用是抵制外来机械伤害，以及防止外界温度和湿度的变化对木材组织产生影响。

内皮则是由有生命活细胞组成，又称韧皮部，其作用除保护形成层外，还担负着把树木光合作用产生的养分

(三)形成层

形成层位于韧皮部与木质部之间，它是由有分裂机能的分生细胞组成的一个薄层，这一薄层是由六到八层细胞组成，其中只有一层是具有长期分生能力的原始细胞，其他各层是由原始细胞分生，只是具有继续分身能力而已。树木能够逐年加粗，正是由于形成层的活细胞不断分生分化的结果。树皮是从外向内增厚，因此形成层是树木生长发育的源泉

(四)木质部

木质部是树干的主要部分，位于形成层与髓心之间，是制浆造纸的最主要部分。木质部是植物主要的输导组织和机械支撑组织

1、年轮、早材、晚材

在树干横切面的木质部，可以看到很多围绕髓心一圈圈的同心圆，这就是年轮。

每一个年轮一般是由两层构成，向着形成层的一层是外层，向着髓心的一层是内层。

内层是形成层每年活动的初期(春季与夏季之间)形成的，称之为早材或春材

这期间生长的组织细胞，由于养分充足，生长迅速，细胞较宽，即壁薄腔大，且致松色浅。

外层是夏末及秋天形成的，称为晚材或秋材，

细胞小、壁较厚，是质密色深的窄层。

早材与晚材的比例用晚才率表示: 晚材率=年轮中晚材宽度(mm)/年轮总宽度(mm)*100%

晚材率的大小，对制浆造纸有一定的影响，因为早材纤维细胞壁较薄，弹性较好，柔软易打浆，能制出抗张强度和耐破强度高的纸张。晚材纤维细胞壁较厚，纤维挺硬，打将比较困难，成纸除撕裂度较高外，其他物理强度指标均不及早材纤维，对同种木材而言，晚材率低的优于晚材率高的原料。

2、边材与心材

某些树种在横切面上可以看到，树干中心的部位比边缘部分颜色深，颜色深的部分(木材的中心)称为心材，颜色浅的靠近树皮部分称为边材。

心材是由边材转变来的，随着树木的增长，心材逐渐增加，边材转变为新材的过程中，心材里面没有活的细胞。另外，由于输导组织细胞导管和管胞的细胞腔被侵填体体侵入，以致这些细胞内充满单宁，树脂，树胶等有机物，使疏导组织的疏导作用停止，有些产生特殊的颜色，使心材呈褐色，红色黑色等色泽。

心材在树木生长中主要起支撑作用，由于树脂含量较高，抗腐能力强，耐久性好，透气性差，适用于家具制造及建筑装修的行业。心材用于制浆造纸时，药液浸透较困难，从而将会影响浸透的均匀性，降低纸浆的质量。酸法制浆时极易产生素质障碍和由于浸透不均匀而产生黑片的问题。

3、木射线

在横切面上可以看到窄的径向条纹，这就是木射线。在径切面上看，他们是浅色光亮或暗色的条纹。有外皮开始到髓心的射线，称为初生木射线或髓木射线。由外皮开始到某一年轮的射线称为次生木射线，其由木射线薄壁细胞组成，具有储存营养物质和横向运输营养物质的功能，木射线线宽度与树种有关。

(五)髓心

髓心也称树心，一般位于树干中心，也有偏离中心的称为偏心材。髓心是由薄壁细胞组成，所占容积一般较小，对制浆没有什么意义。

二、植物纤维与细胞壁的构造

(一)植物细胞的形成过程

植物纤维

(二)植物纤维细胞壁的构造

植物细胞壁是原生质体分泌产物新形成的具有一定的硬度和弹性的固体结构，在细胞分裂的过程中就已经开始形成壁。造纸用的就是植物细胞的细胞壁即纤维(永久细胞)。组成细胞壁的物质有纤维素、半纤维素、木质素以及果胶质等。细胞壁可分成胞间层(M)、初生壁(P)和次生壁(S)三个部分(壁上存在纹孔)，根据次生壁形成的先后可分为外层(S1层)、中层(S2层)和内层(S3层)。

1、胞间层 (M层)

细胞分裂产生新细胞时，在两个子细胞之间形成一层薄膜，细胞形成之后两相邻细胞之间有一层间隙物质，这也就是胞间层。胞间层将各个相邻细胞粘接在一起，一方面提高植物的机械强度，另一方面又可以缓冲细胞间的挤压。

胞间层的化学组成主要是木素、半纤维素、果胶质(少量)、不含有纤维素。

2、初生壁 (P层)

初生壁的化学组成主要是木素(含量较高)、半纤维素、纤维素。

在细胞形成和生长阶段，原生质体分泌纤维素半纤维素以及果胶质，在胞间层上形成初生壁。初生壁一般很薄，而且柔软具有弹性和可塑性，以适应细胞体积不断增长的需要，同时可以透过水分和溶质。

初生壁和胞间层紧密连接在一起，染色后成为一体，常把胞间层与其相邻的两个出生壁和称为复合胞间层(CML)。

3、次生壁 (S层)

细胞停止生长以后，原生质体继续分泌物质沉淀在初生壁内侧使细胞数量继续增加，这时形成的细胞壁称为次生壁。由于次生壁形成时细胞已停止生长，所以初生壁越厚，细胞腔越小。

根据形成的先后，次生壁可分为:外层(S1)、中层(S2)和内层(S3)。次生壁的厚度较大(一般为5~10μm)，是细胞壁的主体。3 7-9

应该注意的是: 所有的植物细胞都具有初生壁,但不一定有次生壁,有些材种S3层及纹孔缘内表面还有瘤层、螺旋状缺陷等结构。某些草类原料的细胞壁存在七到九层的多层结构。

细胞壁性质