植物纤维化学课件第三章 纤维素及其衍生物第三章 绪论
中职化学(农林牧渔类)《纤维素》课件
三、纤维素的功能和应用
铜氨人造丝 性能优于原纤维和黏胶纤维
黏胶人造丝 若将其通过狭缝压入酸性凝 固液中，则生成薄膜状，称 为玻璃纸
硝酸纤维 胶棉可用于制胶片、喷漆； 赛璐珞是制备乒乓球、钢 笔杆和玩具等的原料； 火棉可用于制火药
木材
40～60
9～15
二、纤维素的结构
纤维素也是由 D- 葡萄糖组成，但在一级结构中， 葡萄糖之间是以 β-1，4苷键结合在一起的直链型 分子，相邻葡萄糖单元相互扭转 180°；其二级 结构是由多条分子长链相互扭曲成绳状结构的纤 维束，长链之间通过氢键缔合在一起，中间还夹 杂着木质素等物质。
二、纤维素的结构
由于纤维链之间结合比较紧密，水分子难以进入纤维 束中间与苷键作用，因此，纤维素比淀粉更难于水解， 一般要在强酸或稀酸中加热、加压才能水解，水解过 程中，先得到纤维四糖、三糖、二糖，最终是葡萄糖， 由于纤维素水解条件苛刻，得率低，成本高，所以它 的水解应用受到限制。
三、纤维素的功能和应用
在生理上，纤维素只能被纤维素酶（又称 β- 糖苷酶）催化水解， 但不能被淀粉酶催化水解，由于人体内无这种纤维素酶，所以人类 不能消化利用纤维素。但在食草动物（如牛、羊）的消化系统中含 有这种酶，故这些动物可以用草作为营养来源。
• 一些口感不粗糙的食物，比如嫩豌豆、四季豆、黑 豆等豆类，虽然煮熟后质地细腻、口感绵软，但其 中膳食纤维的含量却远高于大家推崇的芹菜。
• 切菜的确可以将蔬菜中的维管束结构切断，但并不 会破坏膳食纤维。
• 虽然膳食纤维的好处很多，不能过量摄取，尤其是 一些特殊人群。
科学探究
羧甲基纤维素的合成 天然纤维素由于分子间和分子内存在很强的氢键作用，分子有很强的 结晶能力，难以溶解和熔融，加工成型性能差，难以与小分子化合物发 生化学反应，直接反应往往得到取代程度不均一的产品，从而限制了纤 维素的使用。
《植物纤维化学》PPT课件全文
3、学习内容与相关课程的关系
本课程牵涉有机化学、分析化学（包 括仪器分析）、物理化学、高分子化学、 高分子物理、生物合成等相关基础课程。 有关生物结构方面的内容，在《植物纤维 形态与结构》课程中专门讲述；
有关木质素、纤维素和半纤维素在蒸 煮和漂白化学反应过程中的影响因素，在 《制浆原理与工程》课程中专门讲述。
垂直方向切开的面称为横切面。
弦切面(Tangetial Section)：沿着与射
线垂直方向切开的面称为弦切面。
径切面(Radial Section)：沿着射线切
开的面称为径切面
树脂道：针叶材的特征
有些针叶材在横切面的晚材部分，凭肉 眼就可看见一些针头状的小白点，这就
是轴向树脂道或称纵行树脂道。
种子植物
木本—针叶树类
裸子植物：
木本—阔叶树类
种子植物
双子叶植物：草类、麻类、豆类
被子植物
单子叶植物—多数为草本，如禾本科类、禾本亚科、
竹亚科
1.1.1 植物纤维原料的分类
1.1.1.1 、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）
应。 由于纤维素大分子每个糖基上有三个–OH（C2，C3，
C6），可发生各种酯化、醚化反应，在很大程度上可 改变纤维素的性质，生产出许多有价值的纤维素衍生 物。
纤维素衍生物的制备
纤维素酯化和醚化反应是制备纤维素衍 生物的重要反应。
由于纤维素大分子每个糖基上有三个– OH（C2，C3，C6），可发生各种酯化、 醚化反应，在很大程度上可改变纤维素 的性质，生产出许多有价值的纤维素衍 生物。
第一章
(完整word版)第三章纤维素纤维的结构和性能
第三章纤维素纤维的结构和性能天然纤维素纤维（棉、麻）纤维素纤维再生纤维素纤维（粘胶纤维、铜氨纤维、醋酯纤维）§3.1纤维素纤维的形态结构一棉纤维的形态结构棉纤维是种子纤维，其主要成分为纤维素、果胶、蜡质、灰分、含氮物质。
外形：上端尖而封闭，下端粗而敞口,细长的扁平带子状，有螺旋状扭曲，截面呈腰子形，中间干瘪空腔.最外层：初生胞壁从外到里分三层：中间：次生胞壁内部：胞腔1 初生胞壁决定棉纤维的表面性质，它又分为三层，最外层为果胶物质和蜡质所组成的皮层。
因而具有拒水性，在棉生长过程中起保护作用。
但在染整加工中不利。
2 次生胞壁纤维素沉积最后的一层，是构成纤维的主体部分，纤维素含量很高,其组成和结构决定棉纤维的主要性能.3 胞腔输送养料和水分的通道，蛋白质、色素等物质的残渣沉积胞壁上，胞腔是棉纤维内最大的空隙,是染色和化学处理时重要的通道.二麻纤维的形态结构麻纤维主要有：苎麻、亚麻是属于韧皮纤维，以纤维束形式存在单根纤维是一个厚壁、两端封闭、内有狭窄胞壁的长细胞苎麻两端呈锤头形或分支亚麻两端稍细呈纺锤形纵向有竖纹和横节主要化学组成和棉纤维一样是纤维素,但含量低.§3。
2纤维素大分子的分子结构纤维素是一种多糖物质，其大分子是由很多葡萄糖剩基连接而成，分子式为（C6H10O5）n 复杂的同系物混合物，n为聚合度, 棉聚合度为2500～10000，麻聚合度为10000～15000，粘胶纤维聚合度为250~ 500纤维素大分子的化学结构是由β—d—葡萄糖剩基彼此以1，4-甙键连接而成,结构如下每隔两环有周期性重复,两环为一个基本链节，链节数为（n-2）/2, n为葡萄糖剩基数,即纤维的聚合度，葡糖糖剩基上有三个自由存在的羟基，其中2，3位上是仲羟基,6位上伯羟基§3。
3棉纤维的超分子结构超分子结构也称为微结构，主要指棉纤维中次生胞壁纤维素大分子的聚集态结构，纤维素大分子的排列状态，排列方向，聚集紧密程度等。
植物纤维
亚麻工艺纤维
亚麻织物
亚麻织物
（三）黄麻
Jute
产地：生长于亚热及热带，有圆果种、长果种 形态：长1~2.5mm，宽10~20um 多边形截面，有中腔 公定回潮率: 14%
黄麻绳索
黄麻产品
（四）汉麻（工业用大麻） 形态：长16~20mm, 宽18um，纵向有裂 纹和微孔与中腔相连 性能：抗菌、抗静电、
主链价键: 1,4 甙键 官能团: 三个羟基， 甙键 空间构型: 椅式结构
2. 形态结构:
外皮 由蜡质、脂肪和果胶组成 初生层 棉纤维横截面 次生层 中腔 初生胞壁 S1 S2 S3 由网状原纤组成
棉纤维横、纵向
截面结构
双边结构: 棉纤维干涸后，次生胞壁的各个部位在 断面结构上有显著不同的现象.
3)按原棉色泽分
白棉: 正常成长、吐絮的棉花
主要纺织原料，洁白、乳白或淡黄色
白色棉 黄棉: 受霜冻的棉
灰棉: 产自多雨地区
彩色棉：棕、绿、红、黄、蓝、紫、灰
彩棉
纯棉织物 Cotton fabric
(二)棉纤维的形态及结构
1.化学组成
纤维素(94%), 多缩糖(0.9%),蛋白质(1%),脂肪与脂腊质 (0.6%),水溶性物质(3.3%) 灰分(1%) 纤维素单基: β－葡萄糖剩基,
剑麻 Sisal
剑 麻
剑 麻
剑麻产品
二
蕉麻
马尼拉麻、菲律宾麻 产于热带、亚热带， 工艺纤维长1~3米 工艺纤维: 半脱胶的束状 纤维，经梳理加工制成的 适合于纺纱工艺要求的麻 纤维
三 菠萝叶纤维 （凤梨麻） Pineapple
凤梨麻工艺品
椰子纤维
实验
纤维细度测试 天然纤维: 白棉、彩棉、羊毛 化学纤维：粘胶、涤纶、腈纶、氯纶 两人一组，天然纤维任选一种，化学纤维任选一种， 报给课代表。 纺织纤维鉴别 棉、羊毛、麻、涤纶、腈纶、锦纶
《植物纤维化学实验》课件
实验步骤
1
1. 切取植物组织样本并处理
选择适当的植物组织，进行样本处理。
2. 利用显微镜观察纤维结构
2
使用显微镜观察样本中不同植物组织的纤维
结构。
3
3. 实施化学反应
进行酸碱处理、还原剂处理等化学反应。
4. 观察纤维变化
4Байду номын сангаас
观察实施化学反应后样本中纤维的变化。
实验结果与分析
1 观察不同植物组织的纤维结构 2 观察纤维在化学反应下的变化
了解不同植物组织纤维的基本性质。
分析纤维在不同化学反应中的化学性质。
实验注意事项
• 操作时注意安全，避免进行有害物质反应。 • 样本处理过程中应保持湿润状态，防止纤维形态变化。 • 实验结束后及时清洗实验仪器。
实验应用
纺织
植物纤维化学实验可用于纺织研究和开发。
造纸
植物纤维化学实验可用于造纸方面的研究和开发。
《植物纤维化学实验》 PPT课件
植物纤维化学实验是掌握植物纤维性质与化学反应的基本实验。通过观察不 同植物组织的纤维结构以及化学反应的变化，深入了解植物纤维的化学性质 和应用价值。
实验介绍
实验目的
通过实验掌握植物纤维的基本 性质和化学反应。
实验仪器
烧杯、试管、显微镜等。
实验材料
木质部、韧皮部等植物组织。
叙述纤维素的分子结构特征
② Blackwell纤维素Ⅰ模型（1974）
• Blackwell以单球法囊藻（Valonia ventricosa）纤维 素为试样研究单位晶胞内分子链排列情况，认为 葡萄糖基的平面几乎和ac平面是平行的，并且认 为位于单位晶胞四个角上的分子链和位于中心的 分子链，是向着同一方向的平行链。
数（h,k,l）为 （2、3、6）。
• 当平面与坐标轴平行时，相应的密勒指数为0； • 如果与坐标轴相交于负值区域，则负值符号加
于相应的密勒指数之上。 • 只截切a轴的面，都具有指数（100） • 只截切b轴的面，都具有指数（010） • 只截切c轴的面，都具有指数（001）
举例如下： h:k:l=（1/∞）：（1/∞）：(1/2)
• 纤维素分子链占据晶胞的4个角和中轴；葡萄糖基环平行于 ab面 。
• 在b轴方向，晶格四角各由一个纤维素分子链单位（即纤维 素二糖）所组成。中心链分子与四角上的链分子在b轴方向 高度上，彼此差半个葡萄糖基。
• 晶胞中间链的走向和角链的走向相反——反平行链排列。 • 中心链单位属于此单位晶胞所独有，而每角链单位则为四个
② Blackwell纤维素Ⅰ模型（1974）
单位晶胞参数： • a =13.34Å，b =15.72Å，c =10.38Å（纤维轴），γ=97.0°
（γ= a ^ b ） • 根据密度测量，这个单位晶胞ab横断面有8个分子链，如换算
为两个链单位的晶胞，参数应是： • a =8.17Å，b =7.86Å, c =10.28Å，γ=97.0°
本节的主要内容：
• 纤维素分子聚集态结构——两相结构理论 • 结晶化学基础知识 • 纤维素单元晶胞的结晶结构 • 纤维素大分子的氢键 • 纤维素的聚集态结构模型、结晶度、可及度 • 纤维素的细纤维结构
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UDP-D-葡萄糖)； 聚合物的生物合成； 细胞壁中聚合物的聚集。
Chapter 3 Cellulose and Derivatives
17
Tianjin University of Science & Technology
CH2OH O
15
Tianjin University of Science & Technology
Stereochemical Structure
Chapter 3 Cellulose and Derivatives
16
Tianjin University of Science & Technology
二．植物细胞壁中纤维素的生物合成
O HN
HO OH
OO
ON
O OH
PO O-
PO性质是不同。 一端为还原性末端基； 另一端为非还原性末端基。
Chapter 3 Cellulose and Derivatives
12
Tianjin University of Science & Technology
还原性末端基 非还原性末端基
8
Tianjin University of Science & Technology
甲基化纤维素
H + H 2O
CH 2OCH 3
o OH
H O OCH 3 H H OCH 3
2,3,6—三甲基葡萄糖
Chapter 3 Cellulose and Derivatives
9
Tianjin University of Science & Technology
植物纤维化学
第三章纤维素一、一次结构1.近程结构：链结构单元的组成和链接方式2.远程结构：分子的大小、形态、链的柔顺性和构象3.构象：构型一定的分子，在其键允许的限度内各基团绕单键内旋转形成聚合物的不同形态（分子热运动）4.构型：分子中的原子和基团由化学键所固定的空间几何排列。
（化学键断裂）5.纤维素大分子化学结构特点：⏹基本结构单元是D-吡喃式葡萄糖⏹纤维素大分子葡萄糖基都是β-苷键链接⏹纤维素大分子每个基环具有三个醇羟基-（2、3仲醇羟基，6伯醇羟基）⏹纤维素大分子的两个末端基性质不同（C1位还原性醛基，C4位隐形醛基非还原性），不同分子链具有极性和方向性6.纤维素链构象：⏹葡萄糖环的构象：4C1椅式构象（会画）⏹纤维素大分子链的构象：葡萄糖单元成椅式构象，每个单元上C2位羟基，C3位羟基和位取代基均处于水平位置C6⏹C5位羟甲基构象：tg构象⏹配糖角：β-1-4苷键的键角扭转角：葡萄糖苷键绕C1-O键形成夹角键形成夹角：葡萄糖苷键绕O-C4纤维素分子模型：伸直链模型弯曲链模型二、二次结构1.聚集态结构（超分子结构）：处于平衡态时纤维素大分子链相互间几何排列特征2.聚集态结构研究：结晶结构（晶区和非晶区、晶胞大小及形式、分子链在晶胞内的堆砌形式）、取向结构（分子链和微晶取向）、原纤结构3.纤维素晶体：c键直立，a键前后（氢键），b轴位于左右方向4.辨认不同晶胞结构：X射线衍射、红外光谱、正交极化/幻角旋转13C核磁共振谱5.纤维素ⅠMeyer-Misch模型的特点：⏹纤维素分子链占据晶胞的4个角和中轴⏹四角上的链为4个相邻晶胞所共有，每个晶胞只含有两个分子链⏹晶胞中间链的走向和角上链的走向相反——反平行链排列；在轴向高度彼此半个葡萄糖基⏹b轴长度正好为纤维素二塘的长度。
分子链葡萄糖基团绕纵轴扭转180°（纤维二糖为基本结构单元）6.纤维素ⅡBlackwell 模型特点⏹纤维素分子链占据晶胞的4个角和中轴⏹晶胞中间链的走向和角上链的走向相同——同向平行链；在轴向高度彼此半个葡萄糖基⏹分子链平行于ac 面，-CH 2OH 均为-tg 构象；（1，4苷键键角为114.8°）⏹a 轴方向分子间氢键（020面，O(3)-H...O(6’)；分子内氢键O(3)-H...O(5’)、O(2’)-H...O(6)，晶胞对角线无氢键）7.纤维素Ⅱ结晶结构特点⏹存在两条空间群为P21的分子链，具有二次螺旋对称，角上链和中心链为反向平行链⏹中心链—-CH 2OH 具有-tg 构象，角上链-CH 2OH 具有-gt 构象⏹中心链和角上链在高度上相差半个葡萄糖基⏹分子链投影与ac 面有偏角（30°），与110面方向一致在020面【O(3)-H...O(5’)、O(2’)-H...O(6)】和110面O(2)-H...O(2’)内形成氢键。
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“I succeeded in extracting clearly the elemental tissues
of the hardwoods most charged with Ligneous
incrutations ,The composition of the substance in such
一是天然橡胶的利用开发与改性。在中美洲与 南美洲，15世纪左右当地人用天然橡胶球做游戏与 生活用品如容器与雨具等，直到19世纪40年代美国 人发现用松节油、硫黄与碳酸铅共热后得到不粘而 有弹性制品即所谓硫化技术。二是最早的塑料。在 20世纪初，美国人用苯酚与甲醛反应可得到用作电 绝缘器材的酚醛树脂，这是最早的合成高分子，与 此同时，俄国人用酒精制丁二烯，再用钠使之聚合 成橡胶，二次大战后德国人与美国人又发展成一类 十分重要的合成橡胶即丁二烯与苯乙烯共聚而得的 丁苯橡胶 。
二、大分子概念的形成 1、天然高分子的应用与改性
所谓高分子包括天然高分子与合成高分
子，前者如蛋白质与淀粉以及棉毛及蚕丝 ，利用竹、棉、麻等纤维造纸是我国古代 的天然高分子加工技术，再如，利用桐油 与大漆作为油漆、涂料乃一对漆制品又是 我国古代的传统技术。
19世纪中叶开始了对天然高分子的化学 改性与应用，而后又发展到高分子的人工 合成，笼统地说主要包括塑料、橡胶、纤 维与油漆涂料等，可分述如下：
他也是一位多产的科技书作家，许多有关工 业，农业、食品化学方面的著作成为经典论著 被翻译为英语和其他欧洲语言。他在1826年至 1865年间主要出版了9部科学论著。
他在工业技术和研究领域中荣获很多荣 誉。
1826 － Gold Medal of French
Agricultural Society 1826 － Knight of Legion of Honor by
Charcoal and Its Application to the Refining of Sugar”，Payen发明的用骨炭（Animal Charcoal）使糖溶液脱色的方法在一百多年 后的今天仍然在使用。
ANSELME PAYEN（二）
在Payen漫长的研究生涯中，他发表了200多篇 论文，主要发表在当时的法国期刊中，它们涉 及很宽的范围，包括糊精糖、沥青、木素、纤 维素、淀粉、植物营养学和动物营养学。他分 离发现了酶和淀粉酶，在1836年的一篇论文中 他指出尽管尺寸，形状和集聚状态不同，但这 些淀粉有相同的化学组成。
第三章 纤维素及其 衍生物
绪论
一、ANSELME PAYEN AWARD及其人
Aห้องสมุดไป่ตู้SELME PAYEN（一）
Payen对工业技术有意义的贡献是发明 了由Soda和硼酸合成硼砂的合成方法。并 于1820年开始上市销售，其价格仅为精制 天然硼砂的1／3，他在法国建立了一个新 型工业。1822年他第一次发表重要的科学 论著：“Theory of the Action of Animal
Charles X of Sweden 1833－Member of the Agricultural Society
of France and Secretary for 26 years. 1847－Officer of the Legion of Honor by
Louis Phillipe of France 1863－Commander of Legion of Honor by
在他对木头的研究期间，他分离了一种他称 “encrusting materials”的物质，20年后即1857 年Schulge将该物质命名为“Lignin”，此时， Lignin代表一类物质，Cellulose首次出现于1839 年法国科学院委员会对Payen工作的评估报告中， 该报告认为Payen的工作非常重要，其中有这样 一段陈述：“In fact, in woods there is the basic
三是天然纤维素的改性。19世纪，德国人开 始用硝酸溶解棉纤维结果可以纺丝或成膜，但易 燃烧，最后制成所谓无烟炸药，如果加入樟脑， 可以加工成塑料叫赛璐珞又能制作照相底片或电 影胶片，但要着火，此外也用在汽车车身的喷漆 工艺。稍后，英国人用氢氧化钠处理棉纤维得到 丝光纤维，再用CS2溶后纺丝成粘胶纤维。也可 用木浆做帘子线与玻璃纸及人造丝等。此外，另 有德国人用醋酐进行纤维素酯化成醋酸纤维素， 由于不易燃烧故多用于照相底片与电影胶片，以 及飞机机身涂料或者重新纺丝成人造丝造物。
Napoleon III
Payen有关纤维素方面的经典之作的发表在
Comptes Rendus Vol7，P1052（1838）题目 “Study of Composition of the Nature Tissue of Plants and of Ligin”他以acid/ ammonia 处理植物 “短棉绒、树木、花的根部、木髓、胚珠”然 后用H2O、 alcohol和ether抽提，他分离出了一 种具有抗张强度的纤维状物质，该物质CHO分 析结果显示与淀粉相同，而不同于所谓的 Ligneous matter。现代分析手段为Payen的数据 提供了不可质疑的证明，大化学家Liebig在十 九世纪九十年代发表了其元素分析结果，两者 相差无几。
tissue which is isomeric with starch which will
call cellulose and also a substance which fills the
cells and which constitutes the true ligneous
matter”
a case coincides with that of the very young tissues”(ie , from plants , etc)这种物“elemental”物 质分析数据为：C：43.785％，H：5.86％，O： 50.28%。他进一步展示了这种由植物和木头中提取 的“elemental”物质与淀粉有相同的组成百分数， 互为“icsomerit”.那时仅为化学科学的发展初期， Payen一个半世纪前的工作（1873）可谓是一位大 科学家的预尖的科学成果。