植物纤维原料的化学成分及生物结构.ppt

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。,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。,苏铁纲(Gycadinae)银杏纲(Ginkgoinae)裸子植物门 松柏纲(Coniferae)(Gymnospermae)红豆杉纲(Taxinae)买麻藤纲(Gnetinae)松柏纲 松、杉、柏及南洋杉科,双子叶植物纲 被子植物门 单子叶植物纲 双子叶植物纲 阔叶材 单子叶植物纲 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；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 如：大叶相思：Acacia auriculiformis,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),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,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。,（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。,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-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。,纤维素的化学结构式（Haworth）,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。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10001300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（Noncellulose carbohydrate）。,1G.B.Aspinall的概念,1962年Aspinall提出：半纤维素是从植物来源的聚糖类：它含有D-木糖基、D-甘露糖基与D-葡萄糖基或D-半乳糖基的主链，其它糖基可成枝链联接在主链上。,2T.E.Timell的概念,1964年Timell提出：半纤维素是低分子量的聚糖类（其平均聚合度近200），它和纤维素一起正常地产生在组织中，它们可以从原来的或从脱去木素的物料中被水或碱水溶液（这是常用）抽提出来。,木糖(Xylose)、阿拉伯糖(Arabinose)、甘露糖(Mannose)、葡萄糖(Glucose)、半乳糖(Galactose)、4-0-甲基葡萄糖醛酸(4-0-Methyl-Glucuronic Acid)、半乳糖醛酸(Galacturonic Acid)、葡萄糖醛酸(Glucuronic Acid)。另外还有少量的鼠李糖(Rhammose)和岩藻糖(Fucose)。,Their building units are hexoses(D-glucose,D-mannose,and D-galactose),pentoses(D-xylose,L-arabinose,and D-arabinose),or deoxyhexoses(L-rhamnose or 6-deoxy-L-mannose and rare L-fucose or 6-deoxy-L-galactose).Small amounts of certain uronic acids(4-O-methyl-D-glucuronic acid,D-galacturonic acid,and D-glucuronic acid)are also present.,From:PAPERMAKING SCIENCE AND TECHNOLOGY(Book 3),阔叶材：聚-4-0-甲基葡萄糖醛酸木糖 聚葡萄糖甘露糖针叶材：聚半乳糖葡萄糖甘露糖 聚阿拉伯糖-4-0-甲基葡萄糖醛酸木糖禾本科：聚阿拉伯糖-4-0-甲基葡萄糖醛酸木糖,半纤维素的概念,半纤维素是指植物纤维原料中非纤维素碳水化合物这样一群物质的总称。或半纤维素是除纤维素和果胶质以外的植物细胞壁聚糖。,（三）木素（木质素，Lignin）,木素是由苯基丙烷结构单元通过醚键和碳-碳键联结构成具有三度空间结构的芳香族高分子化合物。,木素一词是由F.Schulze于1865年提出，他是根据拉丁文（Lignum）木材命名为（Lignin）木素。在1897年Peter Klason研究了木素磺酸盐组成、提出了木素与松柏醇结构非常相近。在1907年又提出了木素是属于高分子化合物，并在十年之后、提出了松柏醇之间是由醚键联结的。,松柏醇 Coniferyl alcohol,愈创木基丙烷 紫丁香基丙烷 对羟苯基丙烷,guaiacylpropane unit syringylpropane unit p-hydroxyphenylpropane unit,（三）与纤维素有关的几个概念,1综纤维素(Holocellulose)综纤维素是指植物纤维原料在除去抽出物和木素后所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。,制备综纤维素的方法,氯化法(Cl2)亚氯酸钠法(NaClO2 ClO2)二氧化氯法(ClO2)过醋酸法(CH3COOOH),.Cross and Bevan纤维素,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。,硝酸乙醇法纤维素,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。,-纤维素、-纤维素、-纤维素、工业半纤维素（）自综纤维素制备-纤维素,不溶部分、纤维素 综纤维素(17.5%NaOH 20)溶解部分、非纤维素的碳水 化合物,(2)自漂白化学浆制备-、-、-、工业半纤维素,不溶解部分 纤维素 漂白化学浆(17.5%NaOH 20)纤维素 溶解部分（沉淀部分）（醋酸中和）纤维素（不沉淀部分）,-纤维素包括漂白化学浆中的纤维素与抗碱性的半纤维素；-纤维素含高度降解的纤维素与半纤维素；-纤维素全部为半纤维素。,二少量（次要）成分,（一）抽出物（Extractives）水抽出物(冷、热水）稀碱抽出物（1%NaOH)有机溶剂抽出物,（二）有机溶剂抽出物（Organic Extractives）,概念：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。,1针叶材抽出物,主要组成：松香酸、萜烯类化合物、脂肪酸及不皂 化物等。含量：较高，如：红松的乙醚抽提物为4.69%，马 尾松乙醚抽提物为4.43%。存在位置：树脂道和射线薄壁细胞中。,2阔叶材的抽出物,组成：游离的及酯化的脂肪酸，中性物；不含或只 含少量松香酸。含量：一般在1%以下。存在位置：木射线薄壁细胞与薄壁细胞中。,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。含量：乙醚抽出物含量一般低于1%。而苯-醇抽出 物含量较高，一般为36%，有的高达8%。,（三）灰 分（无机物）,植物纤维原料都含有一定量的矿物质、燃烧后产生灰分（温度一般在57525）。,1木材的灰分与组成,含量：一般温带树木为 0.1%1.0%，但热带木材灰分可 高达5%。主要组成：Ca+2、K+、Mg+2其次是Mn+2、Na+、P 还 有其它元素。,木材中灰分含量,2.草类原料的灰分与组成,含量：1.2%10%(2%以上)，叶部的灰分甚至高达 23.1%。化学组成：灰分中60%以上是SiO2,尤其是叶部和梢 部。,某种小麦草的灰分与灰分中的SiO2含量,3灰分对纸浆生产的影响,草类原料中的SiO2，在碱法制浆过程中形成Na2SiO3，溶于废液中，使废液粘度升高，洗涤时黑液提取率降低，对黑液的蒸发、燃烧、苛化、白泥回收等过程都带来麻烦，即所谓的“硅干扰”。,（五）果胶质,果胶酸（Pectic Acid）是聚半乳糖醛酸，它不溶于水。果胶酸羧基中80%以上被甲基化、一部分被中和成盐，使其变为部分可溶于水的物质、称为果胶质。,果胶质结构式一部分（R=H、CH3或金属离子，如：Ca2+Mg2+）,第三节 木材纤维原料的生物结构及细胞形态,一、树木的粗视结构（The macroscopic structure of wood）（木材解剖的常用术语）,1木材解剖的三个切面,A 横切面：与树干的轴垂直的切面；B 径切面：通过树干髓心与横切面垂直的切面，又称辐射切面;C 弦切面：垂直横切面与年轮相切的切面，又称切线切面。,Figure 3.Different planes of a cut tree stem revealing transverse(cross-sectional),radial,and tangential faces,2树 心,树心，也称髓心（pith），一般位于树干中心，也有偏离中心的，称为偏心材。髓心由薄壁细胞组成，所占容积一般较小，对制浆没有什么意义。,Figure 4.Cross-section of an 85 year old Larix sibirica stem（西伯利亚落叶松）,Figure 20.Severe pression wood on a cross-section surface of a leaning softwood stem in Pinus sylvestris(Photo by Hannu Kalaja)（长柏松）,树皮是树干的最外层，是树干的保护层，尤其是保护树木的形成层。树皮分外皮（Out Bark）和内皮（Inner Bark）。,3树 皮（Bark）,外皮:是由已死亡的木栓细胞（含有木栓质的细胞）组成。其作用是对木材组织起着抵制外来机械伤害以及防止外界温度和湿度变化的作用。内皮:是由有生命的活细胞组成，又称韧皮部（Phloem），其作用负担着把树叶光合作用产生的养分向下输送。,4形 成 层（Cambium）,形成层位于韧皮部与木质部之间，它是由具有分裂机能的分生细胞组成的一个薄层。这一薄层是由68层细胞组成。,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。,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）。,Figure 4.Cross-section of a spruce(Picea Abies)sample showing an annual growth ring boundary.,晚 材 率,年轮中晚材宽度 晚材率=-100%年轮总宽度,7边 材 与 心 材,颜色深的部分（木材的中心）称为心材（heart wood or Inner wood），颜色浅的靠近树皮的部分称为边材（Outer wood or Sapwood）。,心材,8木 射 线（Wood Rays）,木射线是由木射线薄壁细胞组成，它贮藏营养物质，还有横向运输的功能，木质部的营养物质就是经木射线从韧皮部输送来的。,二植物纤维与细胞壁的构造,1植物细胞的形成过程细胞借分裂而繁殖,细胞分裂的方式可分为:有丝分裂、减数分裂和无丝分裂三种。有丝分裂是一种最普遍的分裂方式。,一个细胞分裂产生两个新的子细胞（右图）。分裂产生的子细胞既可以是仍保持具有分生能力的分生细胞;,也可以是不再具有分生能力的细胞，这种细胞发育成长过程中分化为执行不同生理机能的各种永久细胞,其中很大一部分细胞分化为构成植物体基干起机械作用和输导作用的永久细胞。,永久细胞的细胞壁随着细胞的发育而迅速增厚，并在长度方向延伸。在细胞停止生长以后,细胞壁仍然继续增厚,细胞内物质逐渐转化为细胞壁物质,其主要化学成分是碳水化合物和木素。,图1-17 木材活细胞成长为植物纤维的过程,植物纤维的概念这种失去生命机能的细长锐端永久细胞称为植物纤维。,2植物纤维细胞壁的构造,胞间层（Middle lamella）初生壁(Primary Wall)次生壁(Secondary Wall)次生壁分外（S1）、中（S2）、内（S3）三层,Figure 12.Cell wall layers and organization of microfibrils in a softwood tracheid,Figure 2.Cross section of a Pine(Pinus palustris)latewood tracheid:M is the middle lamella P is the primary wall,S1,S2,and S3 are the outer,middle and inner layers of the secondary wall.,3细胞壁上的纹孔,细胞在次生壁增厚时，并非全面均匀的增厚，其中常留有不增厚的部分。这种不增厚的部分，因为细胞壁比较薄，在显微镜下观察象一些圆形小孔，实际上并不是真正的孔，而是一些薄壁区域。这些薄壁区域叫做纹孔（Pit）。,Figure 8.Cross-section of one tracheid showing bordered pits.,纹孔的构造:,具缘纹孔(Bordered pit)单纹孔（Simple Pit)半具缘纹孔(Half Bordered Pit）,Figure 13.Profiles of pit pairs(redrawn from Haygreen and Bowyer),纹孔室纹孔缘纹孔口纹孔膜纹孔托,具缘纹孔,Atomic Force Microscope Image of Bordered Pit(Black Spruce wood),Here is another structural view of a softwood bordered pit pair.Two tracheids are connected by the pit pair.The over-arching pit borders are separated by a central pit membrane which bisects the pit chamber.,Here are two bordered pits which were observed with a scanning electron microscope.More detail of the structure can by seen in this picture.The two pits form a pit pair which is cut open so that we can see the inside or pit chamber.Portions of three longitudinal tracheid lumens(dark areas)can be seen here.,4树 木 的 细 胞 类 型（Cell Types of Wood）,形态（Shape）：锐端细胞和薄壁细胞；功能（Function）：输导细胞、支撑细胞和贮藏细胞。,输导细胞 支撑细胞 贮藏细胞阔叶材：导管 木纤维 薄壁细胞针叶材：管胞 薄壁细胞,三针叶材的生物结构、细胞类型、含量及形态,（一）针叶材的生物结构 1、横切面；2、弦切面；3、径切面。,（二）细胞类型、含量及形态,1.管 胞占木质部细胞容积的90%95%，管胞平均长度一般为35mm，宽为0.030.05mm。管胞壁上的纹孔大多为具缘纹孔。,Detail of annual ring.,Earlywood and latewood fibres.,Cells from a softwood.Magnification X 50,2.木 薄 壁 组 织,木射线管胞和木射线薄壁细胞木射线细胞占木材体积的5%10%。Norway云杉和Scots松木射线薄壁细胞的长为：0.010.16mm，宽为：25m。,3.树 脂 道,树脂道是由若干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。,松木树脂道结构图,图1-26 纵生树脂道（横切面,云杉）,树脂道,四阔叶材的生物结构、细胞类型、含量及形态,（一）阔叶材的生物结构 1、横切面；2、弦切面；3、径切面。,毛白杨横切面,毛白杨弦切面,毛白杨径切面,（二）细胞类型、含量及形态,1.木 纤 维2.管 胞3.导 管4.薄壁细胞及木射线薄壁细胞,1木 纤 维,占木材的60%80%木纤维平均纤维长为：1mm左右，宽度一般小于20m。纹孔多是具缘纹孔、缝隙状、单纹孔、节状增厚。,2管 胞,阔叶材中的管胞数量很少，但形态与针叶材的管胞相似，其细胞壁上的纹孔具缘纹孔，纹孔缘明显。,3导 管,导管是阔叶材中的水分输导组织，它由一系列的导管细胞首尾相连而成；依导管细胞壁的增厚情况不同，导管细胞可分为五种类型，其形态大小等均随木材品种而异。,Eucalyptus Vessel,Perforation plate,4.薄壁细胞及木射线薄壁细胞,木射线薄壁细胞薄壁细胞 薄壁细胞又称为轴向薄壁细胞,Figure 15.Fibers and a vessel segment of a diffuse-porous hardwood for Populus tremula,Figure 16.Fibers and wide and narrow vessel segments of a ring-porous hardwood,Ulmus glabra,五、针叶材与阔叶材生物结构的区别,第四节 非木材纤维原料的生物结构及细胞形态,一禾本科纤维原料1禾秆的横切面构造,茎,小麦茎结构,小麦茎结构,小麦茎结构,水稻一个维管束放大图,2禾秆的细胞组成、形态,纤维细胞平均纤维长度在1.01.5mm之间，平均宽度为1020m。一般纤维细胞的含量约占细胞总量的40%70%（按面积法测定）。,薄壁细胞：杆状、长方形、正方形、椭圆形、球形、桶形、袋状、枕头形等。导管 表皮细胞：多呈锯齿状，有的是一面齿，有的是两面齿，也有的边缘平滑无齿痕的。筛管、伴胞 石细胞,13表皮细胞；4纤维横切面；57纤维细胞；811薄壁细胞,二半木材纤维原料,研究表明：棉秆的解剖形态、纤维形态、化学组成和物理性质等，与软阔叶材相近。,三韧皮纤维原料,（一）麻类纤维原料亚麻：纤维长8.040mm，平均纤维长为18mm左右，宽为8.824.0m。平均宽为16m，长宽比达1000以上。,大麻：纤维长在1525mm，宽为1525m，长宽比约为1000左右。苎麻：纤维长在120180mm，宽为2050m，长宽比达2000。黄麻：单根纤维长23mm，宽为1525m，长宽比100左右。,（二）韧皮类纤维原料,桑皮：纤维长为3.8610.80mm，最长者达21mm，宽为10.822.1m，平均为15.5m，长宽比为463。构皮：纤维的平均长度为6.07mm，宽度为20.9m。,四、籽毛纤维原料,棉花纤维长为1223mm，平均长为18.8mm，宽度为14.724.5m，平均为20m。,五、叶部纤维原料,龙舌兰麻；龙须草；香蕉叶；菠萝叶。,龙须草,第五节 植物纤维形态对纸张性能的影响,(一)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。,(二)纤维形态及其与纸张性质的关系,纤维长度 1长宽比=-纤维宽度,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。一般认为长宽比小于45的原料，应用价值很低。,2壁腔比,2 X 细胞单壁厚度 壁腔比=细胞腔直径,Cell wall thickness,Width,2 X 细胞单壁厚度刚性系数=X100 纤维直径 细胞腔直径柔性系数=X100 纤维直径,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，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。,壁腔比1 为劣等原料。,图：理想的纤维结构厚壁纤维A与薄壁纤维B比较。制浆造纸工程大全P19,Paper on Close Examination,3纤维的粗度(Coarseness),每100m长度的绝干纤维的质量(mg)，用decigrex(dg)表示。,Relative amount of material in fibre,4.纤维的卷曲因子（Form factor、Shape factor 或 Curl Index）,Form factor=D/LShape factor=D/Lx100%Curl Index=L/D-1,5.纤维柔软性（Bendability）,6.扭结指数（Kink index）,Measurement of anglesReported according to Kibblewhites kink index formula,Principle of mechanical refining.Wood chips are fed into the refining zone where they are disintegrated between two grooved discs of which at least one is revolving.,(三)纤维形态测定,1纤维的长、宽度测定台式投影仪进行；Kajaani FS（100/200/300）型纤维质量自动测量仪；纤维质量分析仪（FQA）Fibermaster/Fibertester,ni Li数量平均长度=ni ni Li2重量平均长度 ni Li ni Li3二重重均纤维长=ni Li2,ni:某级分中纤维数目；Li：某级分中纤维平均长。,Kajaani 100纤维分析仪工作原理图,Optics Module,Sample out,Capillary,Sample in,Fibre detector,Detector light source(Laser),Polarizers,Measurement(CCD-camera),Measurement light source LED,Optics body,Sample loop样品回路漏斗毛细管排出,Detection loop检测回路激光1st 偏振器毛细管2nd 偏振器纤维检测器,Measurement loop测量回路发光二极管毛细管CCD 照相机,Measurement测量,Values Measured By The Laboratory FQA,Fiber Length Fiber Width Fiber Curl Fiber Kink%Fines Coarseness HWD/SWD Ratio Shives,2纤维形态的频率分布,n分布频率 X 100(%)n,(四)纤维粗度和细胞壁厚对纸张性能的影响,Wet Fiber Flexibility,Paavilainen,L.,Importance of coarseness and fiber length in papermaking.Tappi International Process and Product Quality Conference,10/1988.pp.99-109.,Apparent Sheet Density,Paavilainen,L.,Importance of coarseness and fiber length in papermaking.Tappi International Process and Product Quality Conference,10/1988.pp.99-109.,Tensile strength,Paavilainen,L.,Importance of crossdimensional fiber properties and coarseness for the characterization of softwood sulphate pulp.Paperi ja Puu vol.75,5(1993),pp.343-351.,Paavilainen,L.,Importance of crossdimensional fiber properties and coarseness for the characterization of softwood sulphate pulp.Paperi ja Puu vol.75,5(1993),pp.343-351.,Tearing strength,Wet Fiber Flexibility,Paavilainen,L.,Wet fiber flexibility and collapsibility of softwood pulp fibres.Paperi ja Puu 75(1993)9-10,pp.689-702.,Surma-Slusarska,B.,Surewitz,W.,The effect of chemical position and anatomical structure of wood on the yield and properties of kraft pulps.Cellulose Chemistry Technology,15,1981,pp.77-97.,Apparent Sheet Density,Paavilainen,L.,Influence of morphological properties of wood fibres on sulphate pulp fiber and paper properties.Proceedings of International Paper Physics Conference held in Kona,Hawaii,9/1991,p.383-395.,Tensile strength,Tearing strength,Paavilainen,L.,Influence of morphological properties of wood fibres on sulphate pulp fiber and paper properties.Proceedings of International Paper Physics Conference held in Kona,Hawaii,9/1991,p.383-395.,第六节 纤维细胞壁的微细结构（Ultrastructure）,微细结构、电子显微镜下的结构、超结构。主要讨论细胞壁的层状结构，细胞壁中微细纤维走向，各主要组成在细胞壁中的分布等。,（一）微细纤维的精细结构,纤维素大分子（约40个）有规则地排列聚集成原细纤维（Elementary fibril），若干原细纤维组成微细纤维（Microfibril），若干微细纤维再组成纤维（Fiber）。,D.Fengel的微细纤维结构模型,原细纤维直径为3nm(Elementary fibril)微纤维丝直径为 12nm(Fibril)微细纤维直径为 25nm(Microfibril),TAPPI/March 1970 Vol.53,No.3,（二）木材纤维细胞壁的层次结构,胞间层 ML细胞角区（CC）复合胞间层CML初生壁 P,次生壁外层S1次生壁中层S2次生壁内层S3瘤层/HT层,Preston等人认为,纤维越长，S2层微细纤维的方向越靠近轴向，单根纤维的强度也就越大，但伸长率越小。,Page 的研究,原料：黑云杉及白云杉春材和秋材纤维细胞；结果：当S2层微细纤维的角度相等时纤维具有相同的拉伸强度，当S2层微细纤维的角度由10度增至30度，纤维拉伸强度由100kg/mm2降为50kg/mm2。,结 论,单根纤维强度主要决定于S2层的微细纤维与纤维轴的夹角，夹角越小，单根纤维的强度越大。具有理想的微细纤维角度的亚麻，其拉伸强度110 kg/mm2，接近钢的水平，若考虑比重的不同，亚麻约为钢的25倍。,瘤层（W Warty layer）有些树种，如马尾松、云南松等，在细胞腔的腔壁上有一层瘤状结构层，这个部位纤维素含量较少，木素含量较高，它是独立的结构，与S3层有明显的界限。,臭松管胞内壁的瘤层（弦切面）1.瘤层；2.S3层,1,2,HT层（Helical Thickening）某些针叶材，如花旗松与紫杉的纤维细胞壁在S3层的细胞腔一侧，有螺旋状增厚层(节状增厚层)，称为HT层，HT层起着细胞壁的附加支撑作用。,（三）微细纤维与半纤维素、木素的微细结构关系,微细纤维是细胞壁骨架物质，而半纤维素、木素则是微细纤维间的“填充物质”。这三种组分在细胞壁中构成了绕细胞腔排列的相互间断的同心层。,Figure 2.Proposal for the structure of native softwood fiber.Adapted from kerholm 2003From Rolf Wathn.Studies on fiber strength and its effect on paper properties,四、禾本科纤维的微细结构,1.微细结构有的与木材相似，如麦草、稻草、田青等，其纤维细胞壁也可以分为ML、P、S1、S2、S3。2.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。,3.S1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。4.部分纤维的次生壁中层（S2）是多层结构，5层、7层或9层。5.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。,第一章思考题,1如何将造纸植物纤维原料进行分类？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。3比较纤维素与半纤维素的异同。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？5.如何自综纤维素制备纤维素？并指出其化学组成。,6.如何自漂白化学浆制备纤维素、纤维素、纤维素？并指出各自的化学组成。7.如何制备Cross and Bevan纤维素？8.如何制备硝酸乙醇纤维素？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？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？,11.写出果胶质的分子结构式、并说明果胶质存在于哪些植物中？12.写出植物纤维的定义。13.试述死亡细胞壁的构造。14.叙述木材的粗视结构。15.植物细胞壁上纹孔的功能及种类？16.如何将木材植物细胞进行分类？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？,18.叙述阔叶材的生物结构、并指出其含有哪几种细胞及含量百分比？19.叙述草类原料的生物结构、并指出其含有哪几种细胞及含量百分比？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？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。22.叙述这些纤维形态学指标与纸张性能之间的关系。,23.简述针叶材管胞的超结构。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？,