植物纤维化学答案教学提纲

植物纤维化学答案

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，

-碳键联结构成具有三度空间结构的芳香族高分子

3.比较纤维素与半纤维素的异同。

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1

7.5%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。

7.如何制备Cross and Bevan纤维素？

答：采用氯气处理湿润的无抽提物试料，使木素转化为氯化木素，然后用亚硫酸及约含2%亚硫酸钠溶液洗涤、以溶出木素。重复以上处理、直至加入亚硫酸钠后仅显淡红色为止。

8.如何制备硝酸乙醇纤维素？

答：用20%的硝酸和80%乙醇的混合液，在加热至沸腾的条件下处理无抽提的试样，使其中的木素变为硝化木素溶于乙醇中而被除去，所得残渣既为硝酸乙醇法纤维素。

9.写出有机溶剂抽出物的定义，并指出常用的有机溶剂有哪些？

答：有机溶剂抽出物是指植物纤维原料中可溶于中性有机溶剂的那些化合物。常用的有机溶剂：乙醚、苯、丙酮、乙醇、苯-乙醇混合液、石油醚等。

10.写出针叶材、阔叶材和草类原料各自的有机溶剂抽出物的化学组成及存在的位置？

答：①针叶材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。存在位置：树脂道和射线薄壁细胞中。②阔叶材的抽出物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(一般为1%以下)，主要存在于木射线细胞及木薄壁细胞中。③禾本科原料抽出物主要成分：蜡质，伴以少量的高级脂肪酸、高级醇等，蜡质存在于禾本科原料的外表面。

11.

细胞的初生壁和某些植物的皮部(如麻、棉杆皮、桑皮、檀皮等)含果胶质较多(故灰分含量也高)；针叶木及草类原料的果胶质含量较少，通常单子叶植物的果胶质含量仅是双子叶植物的果胶质含量的10%。

12.

13.

答：初生壁P、次生壁外层S1、中层S2、内层S3，瘤层，还有两细胞共有的胞间层ML，三个或四个细胞共有的细胞角隅CC,细胞壁上还有纹孔，胞间联丝等结构。

14.叙述木材的粗视结构。

答：木材由内到外：树心(髓心)、木质部、形成层、树皮(外皮、内皮)；其中木质部上具有许多同心圆环，即年轮。

15.植物细胞壁上纹孔的功能及种类？

答：功能：细胞间物质交换的通道。种类：具缘纹孔、半具缘纹孔、单纹孔。

16.如何将木材植物细胞进行分类？

答：按形态分尖端细胞和薄壁细胞；按功能分输导细胞、支撑细胞和贮藏细胞。

17.叙述针叶材的生物结构，并指出其含有哪几种细胞及含量百分比？

答：针叶材的生物构造从三个面研究：横截面、弦截面、径截面。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。管胞占木质部细胞容积的90%～95%，木射线薄壁细胞占木材体积的5%～10%。

18.叙述阔叶材的生物结构，指出其含有哪几种细胞及含量百分比？

答：阔叶材的生物构造从三个面研究：横截面、弦截面、径截面。阔叶材中的细胞种类较多，包括木纤维、管胞、导管、木射线和薄壁细胞。木纤维，即纤维细胞，是阔叶材最主要的细胞和支持组织，占木材的60～80%，管胞数量很少。

19.叙述草类原料的生物结构，指出其含哪几种细胞及含量百分比？

答：草类原料中有纤维细胞、薄壁细胞、导管、表皮细胞、筛管和伴胞。纤维细胞是最主要的细胞，是禾杆的支持组织，但是含量较低，仅占细胞总量的40%～70%。薄壁细胞又称基本组织，是另一类主要细胞。有储存营养的作用。导管是输导组织，在禾本科原料中含量较高。表皮细胞的作用是保护植株的内部器官。筛管与伴胞关系密切，作用是将植物光合作用的产物自上而下输送到植株中各有关部位去。另外，皮层、髓部中还有石细胞。

20.从细胞形态的角度分析、哪种植物纤维原料为造纸的优质原料？

答：造纸植物纤维原料中，除含有制浆造纸所需的纤维细胞外，一般都含有一定量的其他细胞，称为非纤维细胞或杂细胞。多数杂细胞都是具有腔大、壁薄、长度短的特点，在制浆中吸收大量蒸煮药液，洗浆时降低洗涤能力，成纸时缺乏粘结，交织能力，降低纸张强度，表皮细胞增加废液硅含量，在酸法制浆时成片状存在，增加纸病。原料的杂细胞含量越高，其制浆造纸价值就低，常见的几类原料中，针叶材原料杂细胞含量最低，制浆造纸价值最高。

21.解释下列名词概念并写出数学表达式：长宽比、壁腔比、纤维数量平均长、纤维重量平均长、纤维长度分布频率。

答：长宽比=纤维长度∕纤维宽度；壁腔比=2×细胞单壁厚度∕细胞腔直径；纤维数量平均长=数量总长度/测定的纤维总数。

22.叙述这些纤维形态学指标与纸张性能之间的关系。

答：①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、裂断度、耐折度等强度指数。②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，故结合力强，成纸的强度高；反之，壁腔比大的纤维则较僵硬，成纸时纤维间的接触面积较小，结合力小，成纸的强度差。

23.简述针叶材管胞的超结构。

答：管胞，即纤维，纤维细胞的超结构包括纤维细胞的层次构成、层次的厚度分布、不同层次纤维的取向、微细纤维的精细结构等，也包括纤维细胞壁上纹孔的微细结构。纤维细胞壁自外至里是由P、S1、S2、S3等层次所组成的；两个细胞之间存在一个共同的胞间层(ML层)；在3个或4个细胞之间存在一个细胞角隅。胞间层及细胞角隅的体积分数均不大，P层厚度极小,仅0.1μm, S1层在P层内侧，厚度较小，一般占厚度10%～20%；S3层则更薄些，仅占细胞壁厚度的2%～8%；S2层厚度占细胞壁厚的70%～90%，是细胞壁的主体。

24.叙述草类原料纤维细胞的超结构与针叶材管胞超结构的异同？

答：相同点：草类原料纤维细胞的微细结构有的与木材相似，其纤维细胞壁也可以分为ML、P、S1、S2、S3。不同点：①禾本科纤维的P层及S1层的厚度占细胞壁厚度的比例较大。②S1与S2层之间连接紧密，因此打浆时往往较木材纤维难于分丝帚化。③禾本科纤维的部分纤维的次生壁中层(S2)是多层结构。④宽层的染色较浅，表明木素的浓度较低，窄层的染色较深，表明其中木素的浓度较高。

第二章

1.针叶材细胞壁中木素是如何分布的？

答：在针叶木中，木素含量25%～35%。针叶木的木素主要是愈疮木酚基丙烷。针叶木管胞中，木素含量在细胞角隅部分占85%～100%。复合胞间层非常之高也达到50%～60%，次生壁中占22%～23%，但是，因为胞间层非常薄，在复合胞间层和细胞角隅存在的木素早材中只占全木素量的28%，晚材占19%。剩余的72%和81%位于次生壁中。

2.阔叶材细胞壁中木素是如何分布？并与针叶材比较。

答：阔叶材木素含量达20%～25%，阔叶材也是胞间层木素含量高，次生壁的木素含量较低，全部木素的80%左右，存在于次生壁中。

3.在分化的细胞壁中木素是如何沉积的？

答：木素化过程在S2形成之前就已在细胞角隅和复合胞间层开始，接着木素快速地沉积。而次生壁木素化作用是一个渐进过程，只有在胞间层木素浓度大约达到其最大值一半时才开始。在次生壁中，S1层最先木素化，随后是S2层，最后S3层。

4.木素的分离方法分为几大类？各自的缺点是什么？

答：①木素作为残渣而分离：将无抽提物木材经水解除去聚糖(纤维素、半纤维素)，木素则以不溶性残渣分离出来。②木素被溶解而分离：选用与木素不起反应溶剂将木材中的木素抽提出来或将木素转变成可溶性的衍生物，再用适当溶剂抽提。缺点：第一类：这种方法分离的木素其结构已发生了变化。第二类：只能分离出全部木素量相对为改变的一部分。

5.如何制备Klason木素，并说出此法的缺点及主要应用范围？

答：木粉首先用苯-醇混合液抽提6hr，以除去木粉中的有机溶剂提物，然后将木粉在

72%H2SO4、温度18-20℃条件下水解，这时试样中聚糖的聚合度下降，2hr后聚合度下降至10左右。再加水使H2SO4的浓度稀释至3%，在稀酸条件下继续水解，使聚糖水解成单糖溶于溶液中，余下的残渣即为Klason木素。缺点：①由酸水解聚糖时，木素的结构发生了很大的变化，主要是缩合反应。原因是木素对无机酸极为敏感易生成下列阳碳离子。产生的阳碳离子极易与另外的苯基丙烷结构的C6产生缩合。②木素当中有少部分溶于72%

H2SO4，针叶材：阔叶材：3%～5%。我们称之为“酸溶木素”，这部分木素在Klason木素测定过程中会被溶解。

6.为什么用Klason木素测定方法、测定草及阔叶材木素时，必须同时测定酸溶木素？

答：①对于阔叶材，由于多酚类的存在而会产生误差，在树皮存在时由于受到树皮酚酸的影响也难已适用。②对于草类，由于灰分中的成分(例如钙盐和硅)在硫酸处理时不溶解，因此对稻草等要进行灰分的补正。③在Klason木素测定方法中，木素的一部分，溶于Klason 木素定量的母液中，成为酸溶性木素，它在阔叶材和草类原料中含量比较大，不能忽略。

7.为什么Brauns“天然木素”不能代表原本木素？

答:虽然Brauns木素与不溶解的原本木素有相似之处，但Brauns木素抽出量非常少，针叶材为2%～8%，阔叶材为4%～7%。Brauns木素是原本木素中的低分子量部分，而且Brauns木素比原本木素含有较多的酚羟基。

8.如何制备磨木木素(MWL)？并说出其主要应用范围？

答：20目的木粉经有机溶剂抽提后，放在Lampén磨中磨48hr、再在振动球磨中磨48hr，磨料介质采用甲苯(因木素、纤维素和半纤维素在甲苯中不发生润胀)。经细磨后，用含少量水的二氧六环进行抽提，然后把溶剂蒸发，把木素溶于醋酸水溶液中，再在水中沉淀、干燥，又溶于二氯乙烷-乙醇(体积比2:1)中，在乙醚中沉淀、洗涤、干燥，这样分离出的木素成为“磨木木素”。Bj.rkman木素为黄褐色非晶体粉末状。应用：由于MWL的提取过程中，化学变化较少，故可作为研究的材料。

9.通过木素的KMnO4氧化分解得出什么结论？

答：构成木素的芳香核，系由对-羟基苯基、愈疮木芬基、紫丁香基构成，进一步从分解分析研究，也可以了解芳香核单位间结合形式。

10.通过木素的碱性硝基苯氧化得出什么结论？

答：针叶木木素中存在大量的愈疮木基和少量的对-羟基苯基；阔叶木木素中存在大量的愈疮木基和紫丁香基，少量的对-羟基苯基；禾本科植物中存在大量的愈疮木基、紫丁香基和对-羟基苯基。

11.通过木素的乙醇解得出什么结论？

答：针叶木木素中存在大量的愈疮木基丙烷结构和少量的对-羟基苯基丙烷结构单元；阔叶木和禾本科植物中，存在大量的愈疮木基丙烷和紫丁香基丙烷结构单元，少量的对-羟基苯基丙烷结构单元。

12.如何应用紫外光谱和红外光谱对木素进行研究？

答：应用紫外光谱：因为木素是芳香族化合物，对紫外线有很强的吸收，而碳水化合物几乎不吸收紫外光，因此选择适当的测定条件测定紫外吸收光谱可以在碳水化合物存在状态下对木素定性、定量分析。通常采用光波在205nm及280nm附近有极大吸收；在230nm及310～350nm附近，能看到弱的吸收，这通常称为肩峰；在380nm以上的可见光区是没有特定吸收峰的末端吸收；由于木素的各结构单元吸收光谱重合，因此其紫外光吸收峰比较单调而且粗宽。应用红外光谱：可研究木素的结构及变化，确定木素中存在的各种能力及各种化学键。了解木素中存在基团及结构，它们在化学反应中的变化。红外光谱的测定，通常采用分离的木素，多用KBr压片法。

13.木素结构单元间的联接方式有哪几种？并说明其比例及化学稳定性？

答：在木素大分子中，大约有60%～70%的苯丙烷单元是以醚键的形式联接到相邻的单元上的，其余30%～40%的结构单元之间以碳-碳键联接，非常稳定。醚键联接：α-烷基-芳基醚(α-O-4)、二烷基醚(α-O-γ’)、β-烷基-芳基醚(β-O-4)、二芳基醚联接(4-O-5)(较稳定)、甲基-芳基醚联接；C-C键联接：β-1、α-6、5-5’、β-5、α-β’、β-6、β-β’。 C-C键对化学药品降解作用具有高度稳定性。

14.写出木素—碳水化合物(L.C.C.)的联接键型及联结点糖基？

答：α-醚键结合、苯基糖苷键、缩醛键、酯键、自由基结合而成的-C-O-或-C-C键结合。联

α-碳原子活化，α-醚键断裂，形成亚甲基醌结构，由于α-碳原子正电性很强，常常成为亲核试剂所攻击的部位，(OH-

在酸性介质中的基本变化：

α-醚键断裂而形成正碳离子，由于α-

HSO3-和SO32-等。不论是酚型或非酚型结构单元均可形成正碳离子结构

在α-碳原子上连有-OH基的β-芳基醚键也可以断裂，形成环氧化合物的中间物；酚型结构的β-芳基醚键仅有极少部断裂；苯环上甲基芳基醚键断裂；木素碎片的缩合反应。

17. 硫酸法制浆中，木素大分子中哪几种化学键断裂？

答：木素酚型结构的α-芳基醚键、α-烷基醚键断裂，形成亚甲基醌中间物；非酚型结构如在α-碳原子上连有-OH基的β-芳基醚键也可以断裂；苯环上甲基芳基醚键断裂；酚型β-芳基醚键断裂；木素碎片的缩合反应。

18.酸性亚硫酸盐和亚硫酸氢盐法制浆中，木素大分子中哪几种化学键断裂？

答：酚型α-芳基醚、α-烷基醚的反应；酚型β-芳基醚的反应；木素中的羰基和双键的反应；甲基芳基醚的反应。

19.中性和碱性亚硫酸盐法制浆中、木素大分子中哪几种化学键断裂？

答：酚型或非酚型结构单元α-醚键的反应；蒸煮中的缩合反应；甲基芳基醚键的反应；β-醚键结构在酸性亚硫酸盐蒸煮条件下是稳定的。

20.叙述木素大分子在氯化过程中的反应。

答：苯环上氯的亲电取代反应；木素结构单元侧链的亲电取代反应；醚键的氧化裂解；木素脂肪族侧链碎解产物的再氧化；侧链共轭或非共轭双键的氯的加成反应。

22.叙述木素大分子在次氯酸盐漂白过程中的反应。

答：次氯酸盐漂白时主要是氧化作用；也有氯化反应(亲电和亲核反应)；但次氯酸盐与次氯酸发生分解反应时也会产生游离基，从而发生游离基反应。

24.叙述木素大分子在H2O2漂白过程中的反应。

答：分解反应：H2O2=H++HOO-；副分解反应：H2O2→H2O+O

第三章

1.纤维素生物合成的母体是什么？

答：纤维素生物合成的基本结构单元是D－吡喃式葡萄糖基。