最新植物纤维化学(通俗易懂)

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）

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 wood）

图1-1 西部铁杉（Tsuga heteroptylla）

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）。

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，如桑皮、构皮、檀皮、棉秆

图1-2 杨木（Poplar wood ）

图1-3 芦苇 （Reed ）

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。

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：垂直于木射线、与年轮相切的切面。

图1-4 旧报纸（ONP ）

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

图1-9 管胞示意图

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），管胞既是针叶木中输导水分的组织，又是其中唯一的支持组织。

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：

（2）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。

（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1-12 南京杨切面图

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。

五禾本科纤维原料的生物结构、细胞类型、含量及形态

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。

图1-17 禾秆构造示意图

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40～70%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，使细胞具有一定的形状。

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

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 纤维细胞壁的微细结构模型

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

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。

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

细胞腔直径

细胞单壁厚度

壁腔比?=2

几种常见纤维的形态如图1-19、1-20、1-21、1-22所示。

图1-19针叶木浆纤维形态图（Cells of softwood trees）

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。

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：

木材中，木素作为一种填充和粘结物质，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25～35%，阔叶木（被子植物中的双子叶植物）木素含量达20～25%，单子叶植物中禾本科植物一般含量15～25%。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1-23 木材纤维分离示意图

图1-24 针叶木硫酸盐浆和机械浆中的木素含量