第一章植物纤维原料的化学成分及生物结构

植物纤维化学植物纤维化学是研究植物中纤维素及其化学加工和应用的一门学科。

植物纤维作为一种自然的、可再生的生物大分子材料，在生产和生活中具有广泛的应用。

例如，纸张、纺织品、建筑材料等众多行业都离不开植物纤维这一重要资源。

植物纤维化学旨在深入了解植物纤维的化学组成、结构与性质，制定优化的加工工艺，拓展其新的使用领域。

一、植物纤维的化学组成植物纤维的主要化学成分是纤维素和半纤维素。

纤维素是一种多糖，由葡萄糖单元通过β-1,4-糖苷键连接而成。

半纤维素也是一种多糖，包括木聚糖、半乳糖、甘露聚糖等。

此外，植物纤维还有少量的酚类物质和蛋白质。

纤维素和半纤维素的含量和比例因植物种类和部位不同而变化。

在棉花中，纤维素含量占80%以上，半纤维素含量较低；而在木质植物中，两者含量相近。

二、植物纤维的结构植物纤维的结构可分为两种类型：原生纤维和次生纤维。

原生纤维是由原生细胞壁构成的，例如棉纤维和亚麻纤维。

原生纤维的直径较细，一般小于20微米；因其生长仅发生一次，其结构较简单，只包括纤维素、半纤维素和细胞壁质量。

次生纤维是由次生细胞壁构成的，例如木质素。

次生纤维的直径较粗，一般为20-50微米；其结构复杂，包括三部分：原生细胞壁、次生细胞壁的中层和次生细胞壁的内层。

三、植物纤维化学加工植物纤维在工业上常通过化学方法进行加工。

主要包括以下几个步骤：去除杂质、碱处理、漂白、纤维素膨胀、染色和强化。

去除杂质：将植物纤维进行筛分、清洗、熬软等步骤，去除与纤维相连的非纤维物质，如叶片、树枝等。

碱处理：将去除杂质后的植物纤维浸泡在碱液中，使纤维得到脱脂、脱胶、脱色等处理。

常用的碱液包括氢氧化钠、碳酸钠及亚硫酸等。

漂白：碱处理后的植物纤维中仍含有少量的杂质和色素。

漂白是将这些杂质和色素分离出来，使纤维得到漂白和增白的效果。

漂白剂主要有氯和过氧化氢等。

纤维素膨胀：纤维素膨胀是将处理后的植物纤维浸泡在化学溶液中，使其膨胀，并形成纤维素膜。

植物纤维化学总结第一章植物纤维原料的化学成分及生物结构1、（1）纤维素(Cellulose)是由D－吡喃式葡萄糖基通过1，4-β苷键联结而成的均一的线状高分子化合物。

（2）半纤维素（Hemicellulose）由①两种或两种以上单糖基（②葡萄糖基、木糖基、甘露糖基、半乳糖基、阿拉伯糖基等）组成的非均一聚糖，并且分子中往往带有数量不等的③支链。

④构成半纤维素短的侧链糖基有：木、葡、阿、半、岩藻、鼠李、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸等，还含有乙酰基。

特点：①②③④（3）木素（Lignin）由苯基丙烷结构单元(即C6-C3单元)通过醚键、碳-碳键连接而成的具有三维立体结构的芳香族高分子化合物.木素的作用：以物理或化学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。

（4）草类（straw）针叶材（needle leaved wood或soft wood）阔叶材（leaf wood 或hard wood）克-贝纤维素（Cross and Bevan Cellulose) 果胶质（Pectin）灰分(Ash) 髓心（pith）树皮（Bark）形成层（Cambium）韧皮部(phloem) 木质部(xylem) 胞间层（Middle Lamella）导管（vessel elements）木薄壁细胞（parenchyma cell）木射线细胞（ray cell）初生壁（Primary Wall）次生壁（Secondary wall）（5）综纤维素(Holo-cellulose) 又称总纤维素，指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）。

（6）植物纤维：失去生命机能的细长锐端永久细胞2、α—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，将其中的非纤维素碳水化合物大部分溶出，留下的纤维素及抗碱的非纤维素碳水化合物，分别称为综纤维素的α-纤维素或化学浆的α-纤维素。

第一章植物纤维原料的结构主要：细胞壁的层状构造；微纤丝；纹孔及其类型；纹孔对及其类型；针叶材的三切面及其细胞组成；阔叶材的三切及其细胞组成。

1、木材纤维原料：针叶材（又称软木，Softwood）如云杉、红松、落叶松、马尾松、思茅松等；阔叶木（又称硬木，Hardwood）如杨木、桦木、桉木、榉木、相思木等。

2、非木材纤维原料：（1）草类纤维原料：即禾本科植物纤维原料。

如稻草、麦草、芦苇、荻、甘蔗渣、竹、龙须草等；（2）韧皮纤维原料：包括各种麻类及某些树种的树皮，如亚麻、黄麻、红麻、桑皮、构皮、檀皮等；（3）种毛纤维原料：如棉短绒纤维。

3、植物细胞学基础：活的细胞腔内充满原生质、成熟后形成空腔。

成熟细胞的构造主要为细胞壁【复合胞间层（胞间层M、初生壁P）、次生壁S】的构造，其中包括细胞壁的层状构造。

4、各层的精细构造：通过电子显微镜研究，可进一步了解纤维细胞壁的层状结构是由不同走向的微纤丝构成。

微纤丝：纤维素分子的聚集体是细胞壁中用电镜能鉴别出的最小天然结构单位，在电镜下呈细丝状。

微纤丝外围是半纤维素，微纤丝相互之间镶嵌着木质素和半纤维素，须脱去木质素才能在电镜下看到微纤丝。

5、S1（外）层微纤维结晶度较高，对化学作用较稳定，与P层结合较紧密，S1紧紧套住S2（中）使S2不易分丝纵裂，打浆时先将P、S1剥离，S1-S2结合较松弛，生产半化学浆时往往在S1-S之间分离，S2层是否易散开，与微纤丝夹角有关，角度越小，越容易分丝量化，P层薄而易碎。

稻草、麦草与木材纤维相似，但分层较厚，S2层角度较大多年生禾本科植物（如竹）次生壁层状构造较为特殊，具有多层结构，每层由厚、薄不一，微纤丝走向不同的两个薄层交替排列而成。

窄层：走向几乎与轴垂直（85-90度），且恒定。

宽层：走向几乎与轴平行（2-20度）。

胞间层——腔缓慢增加。

木质素浓度：窄层>宽度。

禾草类纤维超微结构有四种类型，见“中国造纸原料纤维特性及显微图谱”P33。

精品课植物纤维化学植物纤维的化学结构植物纤维是植物中含有的复杂生物聚合物，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素。

纤维素纤维素是植物纤维中最丰富的成分，约占其重量的40-60%。

它是由β-D-葡萄糖单元组成的直链聚合物，每个葡萄糖单元以β-1,4-糖苷键连接。

纤维素分子排列成紧密有序的结晶结构，赋予纤维强度和刚度。

半纤维素半纤维素是一组异质性聚合物，约占植物纤维重量的15-35%。

它们由多种糖类单体组成，包括木糖、阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖。

半纤维素分子较短且无规，连接纤维素微纤维，提供结构稳定性和柔韧性。

木质素木质素是一种复杂的芳香聚合物，约占植物纤维重量的15-30%。

它赋予纤维硬度、耐腐性和防水性。

木质素分子通过醚键和酯键与纤维素和半纤维素连接。

植物纤维的性质植物纤维的性质取决于其化学结构。

纤维素的强度和刚度使纤维具有很高的抗拉强度和弹性模量。

半纤维素的柔韧性和可塑性赋予纤维柔韧性和抗皱性。

木质素的疏水性和抗腐性保护纤维免受水分和生物降解的影响。

植物纤维的应用植物纤维广泛应用于造纸、纺织、建筑和复合材料等领域。

造纸：纤维素是造纸的主要原料，为纸张提供强度和韧性。

纺织：棉花、麻和亚麻等天然植物纤维用于生产服装、家纺和工业织物。

建筑：木材和竹子等植物纤维用于建造房屋、桥梁和其他结构。

复合材料：植物纤维增强聚合物复合材料在轻量化、耐用性和可持续性方面具有应用潜力。

植物纤维的修饰植物纤维可以进行化学或物理修饰以改善其性能。

化学修饰包括氧化、乙酰化和酯化，它们可以改变纤维的亲水性、吸湿性和热稳定性。

物理修饰包括纤维化、表面粗糙化和涂层，它们可以增强纤维的强度、抗皱性和抗菌性。

植物纤维的可持续性植物纤维是一种可再生和可持续的资源，与合成纤维相比，其环境足迹较低。

植物纤维的种植和加工需要更少的能源和水，并且可以生物降解，减少环境污染。

植物源纤维的化学结构和生物学功能植物源纤维是一类常见的天然纤维，主要来自于植物的细胞壁。

其包含多种化学结构，例如纤维素、半纤维素、木质素等。

这些化学结构不仅决定了纤维的物理性质，还赋予植物源纤维多种生物学功能。

一、植物源纤维的化学结构（一）纤维素纤维素是植物细胞壁的主要成分，也是植物源纤维中最主要的化学结构。

其由多个葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而成，形成线性的纤维素链。

这些纤维素链之间形成了氢键和范德华力，从而形成了强大的分子间力。

这些分子间力使纤维素中的纤维具有了高度的结晶性和抗拉强度。

（二）半纤维素半纤维素是植物细胞壁的另一重要成分，其由多种含羟基的多糖分子组成，例如木聚糖、果聚糖等。

这些多糖分子之间的化学键包括β-1,4-糖苷键、β-1,3-糖苷键和β-1,6-糖苷键等。

半纤维素的存在增加了植物源纤维的柔韧性和弹性。

（三）木质素木质素是一类复杂的有机物，也是植物细胞壁的重要组成部分。

木质素分子由多种苯丙烷单体聚合而成，其化学结构非常复杂。

木质素的存在强化了植物细胞壁的机械强度，同时使植物细胞壁对水分和微生物的侵蚀具有更强的耐性。

二、植物源纤维的生物学功能（一）提供支撑和保护植物细胞壁能够为植物提供结构支撑和保护，防止植物受到外部环境的伤害。

植物源纤维中的纤维素和半纤维素在植物体内形成网状结构，使植物细胞壁具有高度的韧性和强度。

同时，在干旱条件下，植物细胞壁能够保持水分，降低植物的蒸散作用。

（二）吸附有害物质纤维素具有高度的吸附能力，能够吸附水中的重金属离子、农药等有害物质，从而降低其在环境中的浓度。

这也是植物源纤维广泛用于水处理和环保领域的重要原因之一。

（三）作为食物成分植物源纤维中的半纤维素可以被人体胃肠道中的微生物分解为短链脂肪酸，为人体提供必需的营养成分。

植物纤维素还能够刺激肠道蠕动，促进排便，降低胆固醇水平。

（四）用于制造纤维素纤维素作为一种天然高分子材料，广泛应用于纸张、纺织、食品和医药等领域。

第一章1.如何将造纸植物纤维原料进行分类？答：①木材纤维原料：针叶材、阔叶材; ②非木材纤维原料: 禾本科纤维原料、韧皮纤维原料、籽毛纤维原料、叶部纤维原料；③半木材纤维原料：这类原料主要指棉秆；④合成纤维、合成浆：人造丝、聚酰胺、聚酯、聚丙烯、聚氯乙烯等；⑤二次纤维：旧报纸、旧杂志纸、旧瓦楞箱纸板。

2.造纸植物纤维原料中，主要化学组成是什么？写出定义或概念。

答：主要化学成分：纤维素、半纤维素和木素。

纤维素和半纤维素皆由碳水化合物组成，木素则为芳香族-碳键联结构成具有三度空间结构的芳香族高分子化合物。

答：纤维素和纤维素都是碳水化合物，均存在与绿色植物中，都不溶于水。

但纤维素是均一聚糖，只由D-葡萄糖基组成，且有支链，而半纤维素由10种糖组成，且有枝链，纤维素聚合度比半纤维素高，且具有X—射线图。

4.写出综纤维素的定义及四种制备方法，并指出哪种方法比较好？答：综纤维素是指植物纤维原料在除去抽出物和木素后保留的全部碳水化合物。

既植物纤维原料中纤维素和半纤维素的总和。

制备方法：氯化法(Cl2)、亚氯酸钠法(NaClO2→ClO2)、二氧化氯法(ClO2)、过醋酸法(CH3COOOH)。

其中亚氯酸钠法比较好。

5.如何自综纤维素制备α－纤维素？并指出其化学组成。

答：用17.5%NaOH溶液在20℃下处理综纤维素，将其中的非纤维素的碳水化合物大部分溶出，留下的纤维素及抗碱的非纤维素碳水化合物，称为综纤维素的α－纤维素。

化学组成：综纤维素中的纤维素及抗碱的非纤维素碳水化合物。

6.如何自漂白化学浆制备α－纤维素、β－纤维素、γ－纤维素？并指出各自的化学组成。

答：用17.5%NaOH溶液在20℃下处理漂白化学浆，将其中的非纤维素的碳水化合物大部分溶出，留下的纤维素及抗碱的非纤维素碳水化合物，称为化学浆的α－纤维素。

将溶解部分用醋酸中和，沉淀出来的部分称为β-纤维素，不沉淀部分称γ-纤维素。

化学组成：α-纤维素包括漂白化学浆中的纤维素与抗碱性的半纤维素；β-纤维素含高度降解的纤维素与半纤维素；γ-纤维素全部为半纤维素。

“纤维”在制浆造纸工业中是指长宽比较大，纤细的丝状物。

由于其形态的特征，容易相互交织而形成纤维薄层，即我们通常所说的纸页。

造纸工业纤维主要来源于植物纤维原料。

纤维是构成植物纤维原料的主体，也是制浆中力求得到的成分。

目前应用于制浆造纸的纤维原料种类繁多，以造纸工业原料的传统分类方法，造纸植物纤维原料可分为以下几类：木材纤维原料：针叶木：云杉、冷杉、臭杉、马尾松、落叶松、红松等。

阔叶木：白杨、青杨、桦木、枫木、榉木、按木等。

草类纤维原料：稻草、麦草、芦苇、芦竹、甘蔗渣、高粱秆、玉米秆等。

竹类纤维原料：慈竹、毛竹等。

韧皮纤维原料：大麻、亚麻、黄麻、桑皮、棉秆皮、构树皮等。

叶纤维原料：龙须草、剑麻、菠萝叶等。

种子毛纤维原料：棉花、棉短绒等。

除植物纤维外，有时在生产某些特种纸时，还配用少量其它纤维，如动物纤维：羊毛、蚕丝。

矿物纤维：石棉、玻璃纤维。

合成纤维：尼龙、聚丙烯腈、聚脂。

第二节植物纤维原料的细胞种类一、植物体的结构从植物的结构来看，大多数植物体可分为根、茎、叶三部分。

大部分植物纤维原料都是用它的茎秆制浆（叶纤维类、韧皮纤维、种子毛纤维除外）。

茎秆部分含纤维细胞较多，但由于在收割时不可避免混入植物的叶子等其它部分。

因此，研究植物各部分的结构以及细胞种类，是制浆造纸原料选择的基础。

植物的叶部其功能是为植物体制造营养成分。

叶肉细胞为壁薄、含汁、有生命的细胞，一般较短呈圆形或椭圆形。

除此之外尚有起支承作用的叶脉，由纤维状细胞组成。

叶的表面都有一薄层为了防止水分过分蒸发和起保护作用的表皮细胞，表皮细胞常分泌蜡质使细胞角质化，减少水分蒸发。

有气孔，进行植物的呼吸作用。

有时还有毛刺、刚毛实行植物的生物保护。

图1-1为禾草类植物叶部的表皮组织。

图1-1禾草类植物叶部的表皮组织1—气孔器 2—长细胞 3—栓质细胞 4—硅细胞 5—表皮毛一般来说，植物的叶子含纤维状细胞较少，都不用作造纸，在备料中尽量除去。

但也有个别植物叶部纤维特别丰富。