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。
第二节植物纤维原料的化学成分
聚戊 糖
木素
果胶 纤维 质 素
硝酸-乙 醇纤维 素
54.81
亚麻 1.32
云杉 0.73 马尾 0.33 松 桦木 0.82 杨木 0.32 毛竹 1.10 芦苇 2.23 麦草 6.04
c、原料中灰分是呈氧化物状态的矿物质元素
③ 与制浆造纸的关系
灰分对制浆造纸的影响 a、纸浆中Cu、Fe、Mn等金属离子对纸浆的颜色以及纸 浆过氧化 氢、氧气、臭氧漂白会产生不良影响，而 且会促进漂剂分解。 b、原料中尤其是草类原料灰分中的SiO2和Na2O反应后 溶于黑液（Na2SiO3是粘合剂）给碱回收造成许多困 难，黑液的提取率降低，并严重影响碱回收过程， 称之为硅干扰。
聚合度
与制浆造纸的关系
1. 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。
2. 它是植物纤维原料和纸浆的主要化学成 分，在制浆过程中尽量不受破坏。
2、半纤维素（hemicellulose）
定义：
半纤维素是由两种或两种以上单糖基（葡萄 糖基、木糖基、甘露糖基、半乳糖基、阿拉 伯糖基及鼠李糖基等）组成的非均一聚糖， 并且分子中往往带有数量不等的支链。
4、与纤维素有关的几个概念
随制备方法、条件的不同，半纤维素和木素溶出程 度、纤维素降解程度的不同而有各种“纤维素”。
① 综纤维素(Holocellulose)
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和)。
综纤维素制备四法: ⑴、氯化法：(1937年Ritter（里特）提出)
⑵、亚氯酸纳法（1942年Jayme(杰姆)提出）
（3）二氧化氯法：
（4）过醋酸法
注意:部分综纤维素在木素溶出的同时亦被溶出， 为保留全部综纤维素需保留部分木素。（也就是说 ：为了保护纤维素和半纤维素不受损伤，通常木素 不能全部除去，而保留一部分，所以综纤维素 +测 定木素值大于无酯试料质量。）
植物纤维化学复习总结 (整理版5.7))
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。
12植物纤维原料的生物结构
Chapter 1 The Composition and Structure of Wood
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Chapter 1 The Composition and Structure of Wood
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Figure 4. Cross-section of a spruce (Picea Abies) sample showing an annual growth ring boundary.
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6．年 轮、早 材 和 晚 材
每个年轮一般由两层 构成，内层是在每年的春 季与夏季之间形成的，称 之为早材（或春材）；外 层是夏末及秋天形成的， 称为晚材（秋材或夏材mposition and Structure of Wood
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5．木 质 部（Xylem）
木质部是树干的主要 部分，位于形成层与髓心 之间，是造纸原料的最主 要部分。木质部是植物主 要的输导组织和机械支持 组织。
植物纤维化学复习
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。
植物纤维原料的化学成分及生物结构
细胞壁的化学组成与结构特征
化学组成
植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤 维素含量最高，木质素和半纤维素含量因植物种类而异。
结构特征
细胞壁具有层次结构，从外到内依次为胞间层、次生壁和初 生壁。胞间层主要由果胶和少量蛋白质组成，次生壁主要由 纤维素、半纤维素和木质素组成，初生壁主要由蛋白质、脂 类和碳水化合物组成。
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植物纤维原料的物理性质与化学 性质
物理性质
密度
吸湿性
植物纤维原料的密度通常较低，具有轻质 的特点，这使得植物纤维原料在纺织、造 纸等领域具有广泛的应用。
植物纤维原料具有较强的吸湿性，能够吸 收大量水分，这与其多孔性和表面积较大 的结构有关。
弹性与可塑性
导热性与绝缘性
植物纤维原料具有一定的弹性和可塑性， 能够在加工过程中适应不同的形状和尺寸 要求。
分类
根据来源和性质，植物纤维原料可分 为天然纤维素纤维和再生纤维素纤维 。
பைடு நூலகம்
植物纤维原料的应用领域
纺织业
造纸业
生物医学
食品包装
用于制作衣物、床单、 毛巾等纺织品。
用于制造纸张、纸板等。
用于制造医疗用品，如 绷带、手术缝合线等。
用于制造食品包装材料。
植物纤维原料的重要性
可再生资源
植物纤维原料是可再生资源， 来源广泛，可持续利用。
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细胞壁的超微结构与功能
超微结构
细胞壁具有复杂的超微结构，包括微纤维、微孔和微纤丝等。这些结构在细胞 壁中形成交错的网状结构，赋予细胞壁强度和韧性。
功能
细胞壁作为植物细胞的支撑结构，具有保护细胞免受机械损伤、维持细胞形态、 参与物质运输和信号转导等功能。同时，细胞壁还参与植物的生长、发育和生 理过程。
精品课 植物纤维化学
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。
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如：大叶相思：Acacia auriculiformis A.cunn.ex.Benth
三、造纸植物纤维原料的分类及其代表性植物
（一）木材纤维原料 1 、 针 叶 材 (Needle leaved wood or Softwood or
Coniferous) 2 、阔叶材(Leaf wood or Hardwood or Dicotyledon)
松柏纲
松、杉、柏及南洋杉科
被子植物门
双子叶植物纲 单子叶植物纲
双子叶植物纲 单子叶植物纲
阔叶材 禾本科
二、植物的命名
国际通用的学 名，基本采用了 1753 年瑞典植物学 家林奈 (Carl von Linne) 所倡用的 “双名法”作为统 一的植物命名法。
« 第一个词是属名，相当于“姓”，词性：名词； « 第二个词是种加词，相当于“名”，词性：形容词； « 学名后面加上最早给这个植物命名的作者名的缩写；
1．纤维素（Cellulose）
纤维素是不溶于水的均一聚糖。它是由D-葡萄糖基构 成的线状高分子化合物。纤维素大分子中的D-葡萄糖基之 间按照纤维素二糖联接的方式联接（1,4-β-苷键）。纤维 素具有特性的X-射线图。
高分子形状
➢ 线型（链状）高分子； ➢ 枝链型高分子； ➢ 网状结构高分子； ➢ 体型高分子。
序论
一、植物纤维化学主要研究的内容 重点研究制浆造纸植物纤维原料的生物结构、
化学组成、化学结构及它们的物理和化学性质。
生物结构方面：主要研究植物细胞形态和微细结构。 化学特性方面：主要研究植物纤维原料的三种主要组
成，既：纤维素、半纤维素和木素。
另外也对植物纤维原料的少量组成进行了解。如：有 机溶剂抽出物、果胶质、灰分等等。
学名是用拉丁文来命名的，如采用其他文字语言时 也必须用拉丁字母拼音，即所谓的拉丁化。
« 完整学名：属名+种加词+命名人名缩写
如: 马尾松：Pinus massonniana Lamb. 云 杉：Cunninghamia lanceolata Hook.
« 三名法：属名+种加词+亚种或变种加词+命名人名缩写
植物界
孢子植物 （隐花植物）
种子植物 （显花植物）
裸藻门
绿藻门
轮藻门
金藻门
甲藻门
藻类植物
褐藻门
红藻门
蓝藻门
细菌门
粘菌门
菌类植物
真菌门
裸子植物门
高等植物
被子植物门
低等植物
裸子植物门
(Gymnospermae)
苏铁纲 (Gycadinae) 银杏纲 (Ginkgoinae) 松柏纲 (Coniferae) 红豆杉纲 (Taxinae) 买麻藤纲 (Gnetinae)
Global development of paper production, chemical pulp, and recovered paper consumption.
第二节 植物纤维原料的化学成分
一．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，木素则为芳香族化合物。
1．针叶材
裸子植物门松柏纲植物因叶多为针状，故称为针叶 木。商业上称为软木。如：云杉、冷杉、马尾松、落叶 松、红松、白松。
2、阔叶材
被子植物门的木本植物是阔叶的、故称为阔叶材， 商业上称为硬木。如：杨木、桦木、枫木、桉木、榉木、 槭木、相思木等。
（二）非木材纤维原料 1．禾本科纤维原料 2．韧皮纤维原料 3．籽毛纤维原料 4．叶部纤维原料
• 但（木材）经过蒸煮与漂白制成的化学浆，其纤维素 的聚合度只有1000~1300左右。
2．半纤维素 (Hemicellulose)
• 半纤维素一词是由 E.Sehulze于1891年提出的； • 1939年由H.Staudinger改名为木聚糖（Wood
polyoses）； • 半纤维素又称之为非纤维素的碳水化合物
H OH
HO OH H HH o O
CH2OH
纤维素的化学结构式
（Haworth）
CH2OH
o H
O
OH H
H OH
H OH
OH H
o CH2OH
CH2OH
H o OH
O
OH
H H
n -2 H OH
2
Stereochemical Structure
• 天然状态下棉花纤维素平均聚合度（DP）约为15000、 木材纤维素约为10000、草类约为8000。
（四）合成纤维、合成浆 人造丝、聚酰胺、聚酯、聚丙烯、聚氯乙烯等。 合成纤维可用于生产无纺布、过滤纸及一些特种纸等。
（五）回收纤维（ Recovered/Recycled Fiber-RCP ）
旧报纸（ONP）、旧杂志纸（OMG）、旧瓦楞箱纸板 （OCC）等。
美国废纸商协会1997年废纸出口贸易指南PS-97中将 废纸分为51个等级和33个特殊等级。
二、本课程与其它学科的关系
• 生物结构方面： 植物纤维化学与植物解剖学、植物分类学等有
密切相关。 • 化学性质方面：
植物纤维原料中的纤维素、半纤维素和木素都 属于高分子化合物。
三、本课程与造纸工业的关系
• 植物纤维原料 化学浆 漂白化学浆 打 浆 抄纸 纸张；
• 漂白化学浆 精制浆 人造丝、人造毛、电 影胶片、喷漆、食品添加剂等；
• 木素、半纤维素已应用于建筑、医药、食品、橡胶 等工业。
第一章 植物纤维原料的化学成分及生物结构
第一节 植物界的基本类群
一、植物的分类原则 分类学的主要等级为：界(Kingdom)、门(Division)、 纲 (Class) 、 目 (Order) 、 科 (Family) 、 属 (Gerus) 、 种 (Species)，“种”是最基本的单位。
1．禾本科纤维原料
稻草、麦草、芦苇、荻、甘蔗渣、高梁杆、玉米杆、 麻杆、毛竹、慈竹、白夹竹、楠竹等。
2．韧皮纤维原料
红麻、亚麻、黄麻、苎麻、大麻、棉杆皮、桑皮、 构皮、檀皮、雁皮等。
3．籽毛纤维原料 棉花、棉短绒、古棉。
4．叶部纤维原料 香蕉叶、龙舌兰麻、甘蔗叶、龙须草等。
（三）半木材纤维原料 这类原料主要指棉秆。棉秆的形态、结构介于木 材和禾本科原料之间；分类学上属于棉葵科、棉属。 其化学成分、形态结构及物理性质与阔叶材相近。