第二节植物纤维原料的化学成分课件.ppt
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1、第二节 植物纤维原料的化学成分,引言: 植物通过光合作用形成细胞壁物质。在这一过程中,植物由碳、氢、氧等元素组成一系列有机物质,如纤维素、半纤维素、木素三种高分子聚合物。而且含量高,占纤维原料组成的大部分。此外还含有少量的单宁、果胶质、树脂、脂肪、腊、配糖物以及不可皂化物等。这些物质的物理、化学性质虽然不同,但其元素组成大致相同。绝干木材平均含碳50%、氢42.6%、氧6.4%、氮1%。不同植物原料的化学组成差别较大。化学组成见下页表。,一、主要化学成分,纤维素骨架物质半纤维素填充物质木素粘合物质,碳水化合物,占总质量的8095,一)、纤维素定义:纤维素是1.不溶于水的均一聚糖。它是由2.D葡
2、萄糖基构成的链状高分子化合物。纤维素大分子中的3.D葡萄糖基之间按照纤维素二糖连接的方式连接。纤维素4.具有特性的x-射线图。(纤维素二糖连接:就是1-4-苷键连接) 纤维素的4个特点: 纤维素的化学结构:1-4-D- 吡喃式失水聚葡萄糖(pyran)聚合度:纤维素分子中的-D-葡萄糖基的数目即为纤维素分子聚合度。 (polymerization degree) (polydispersity),棉花初生壁:2000-6000 与木、麻 次生壁:1400 相同 草类较低 化学浆:1000左右 天然纤维素:大于1000降解:高分子化合物在受到光照、加热、机械等作用 是聚合度下降的现象。纤维素的性
3、质和功能是由纤维素分子聚集体所形成的结晶态和细纤维结构决定的。而纤维素也是纸浆纸张的最主要最基本的化学成分,原料的纤维素含量高低是评价原料制浆造纸价值的基本依据。,棉:9599苧麻:8090木材:4050竹:4050麦草:3049,二)、半纤维素定义:半纤维素是由1。两种或两种以上的单糖组成的不均一聚糖。2。大多带有支链,3。构成半纤维素线型聚糖主链的单糖主要是木糖、甘露糖和葡萄糖,4。构成半纤维素短的侧链糖基有:木、葡、阿、半、岩藻、鼠李、葡萄醛酸、半乳糖醛酸等。半纤维素的4个特点:常见的半纤维素:(禾草类):聚阿拉伯糖木糖、聚4-o-甲基葡萄糖醛酸木糖(木材原料):聚葡萄糖甘露糖、聚半乳糖
4、葡萄糖甘露糖、聚木糖葡萄糖,半纤维素的性质及对制浆造纸的影响1、无定形物质,作为填充物填充在纤维之间和微细纤维之间,聚合度较低(小于200),易吸水润胀。2、原料不同,半纤维素的组成和含量不同。即使是同一种原料,半纤维素结构与不尽相同。3、造纸用化学浆应尽量多保留半纤维素,这样不但可提高制浆得率,而且对纸浆的性能及成纸性能有良好的影响。 4、精制浆:尽量去除木素和半纤维素,只保留纤维素的纸浆,又称为溶解浆。 5、生产纤维素衍生物用化学浆时,半纤维素应尽量除去,以免影响纤维素的化学加工。,三)、木素定义:木素是由苯基丙烷结构单元通过碳-碳键和醚键连接而成的具有三度空间结构的高分子聚合物 。结构与
5、含量:硝基苯氧化或乙醇解的方法已经证明:1、针叶木木素与阔叶木木素化学结构不同,草类木素也不同于木材木素。2、木素结构在植物体内不同部位变化很大。 结论:木素不是单一物质,而是代表植物中某一共同性质的一群物质。 凡是木质化的植物都含有木素,但不同原料木素含量不同。针叶木:30左右,禾本科:20,阔叶木木素含量介于前两者之间,棉纤维不含木素或含量极少。,化学制浆就是溶解木素,分离出纤维;木素是原料及纸浆发色的主要原因。因此原料及纸浆中的木素含量是制定蒸煮及漂白工艺条件的重要依据。按照被保留在纸浆中木素的含量不同,可将纸浆区分为: 软浆:2%(木素) 半化学浆:15% 硬浆:8%(木素)说明:1、
6、三类代表性原料的主要化成分见表112、造纸工业中除使用植物纤维外,有时也是用其他纤维如合成纤维、矿物纤维及金属纤维3、植物纤维原料的化学成分是我们利用原料、制定生产工艺条件的基本依据,与产品的产量和质量有密切关系,对生产过程及综合利用等方面也有影响。4、植物纤维原料中的碳水化合物主要质纤维素和半纤维素,但有些植物中还含有单糖、低聚糖、淀粉等碳水化合物。,四)、与纤维素有关的几个概念,1、综纤维素:指植物纤维原料中的全部碳水化合物,即纤维素与半纤维素之和。故又称全纤维素(Holocellulose)制样步骤:取样 原料粉碎 40目-60目之间的试样 有机溶剂抽提 无酯试料 除木素 各种方法制纤维
7、素 注:(目:每英寸(25.4mm)宽度内经线的根数或网孔的个数)综纤维素制备四法: 、氯化法:(1937年Ritter(里特)提出) 、亚氯酸纳法(1942年Jayme(杰姆)提出),、二氧化氯法:(1921年Schmitlt(施密特)提出) 、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。)实验室常用亚硫酸钠法。,2、克-贝纤维素(C.B纤维素)(Cross和 Bevan提出) 3、硝酸乙醇法纤维素 说明:a.同一原料不同方法所
8、获得的纤维素比较: 综纤维素 克贝纤维素 硝酸乙醇法纤维素 (含0.1-0.3%木素, 纤维素发生水解降解 半纤维素亦有溶出) 大部分半纤维素水解)b.制备纤维素时,制备方法、制备条件不同,半纤维素、木素溶出程度不同,纤维素降解程度不同。因而会得到各种“纤维素”,因此在表明分离得到的纤维素时除了给出量值外还必须给出分离方法。,4、,-纤维素,工业半纤维素 高度降解的纤维素及半纤维素 高度降解的半纤维素说明:习惯上将-与-纤维素之和称为工业半纤维素,以与天然半纤维素区别。工业半纤维素包括:漂白浆中残留的天然半纤维素和制浆过程中纤维素的降解产物。化学浆中的-纤维素含量对纤维素衍生物和纸的改性处理等
9、生产过程及产品质量影响很大。,二、少量成分及其对制浆造纸生产的影响,一)、抽出物及抽提剂 1、分类 2、概念 有机溶剂抽出物:用中性有机溶剂溶抽提植物纤维原料,溶解在溶剂中的有机物称之。 3、抽提剂种类及溶解能力 抽提剂:水、稀碱、苯、乙醇、苯醇混合液、 乙醚、丙酮、石油醚,无机溶剂抽出物 有机溶剂抽出物,水抽出物稀碱抽出物,水:无机盐、糖、植物碱、单宁、色素及多糖 (其中多糖包括:树胶、粘液、淀粉、果胶等) 稀碱:水抽出物、部分木素、聚戊糖、树脂酸、糖醛酸等 乙醚:脂肪、脂肪酸、树脂、树脂酸、植物甾醇、蜡以及 不挥发的碳氢化合物(三萜烯、其他高级醇及烃类) 苯:树脂、脂肪、蜡、香精油等(不溶
10、于水) 乙醇:单宁、色素、部分碳水化合物和微量木素(与水互溶)说明: 1、同一原料,溶剂不同,溶出物质及溶解能力不同,抽出物的含量与成分不同。 2、很少单独用苯或醇作为抽提剂,经常以苯醇混合液作为抽提剂 3、稀碱抽出物可以反映原料腐朽程度。 4、抽出物量很少,但会对制浆漂白等生产过程及产品质量造成不良影响,不能忽略其存在。,二)、不同原料的有机溶剂抽出物,1、针叶木的抽出物 主要成分:松香酸、萜烯类化合物、脂肪酸及不皂化物 以马尾松抽出物为例: (1)松香的组成及性质 主要成分是树脂酸,树脂酸是一类混合物的总称分子式为,C19H29COOH。因此松香的性质就取决于树脂酸的性质,树脂酸分子中的双
11、肩及羧基能使松香发生异构化、加成、歧化、氢化、聚合、氨解、酯化、成盐、脱羧等反应。 (2)松节油的组成及性质 萜烯类混合物,其化学组分及含量主要取决于树种。松节油无色透明,具有芳香气味。溶于酒精、苯、二硫化碳、四氯化碳、汽油等溶剂,其本身是一种优良溶剂。可以进行异构化、氧化、热解、加成、酯化、氢化、脱氢聚合等。,马尾松松脂 蒸馏 松香(固体,7477) 松节油(液体,1821),2、阔叶木的抽出物,主要成分为游离的或酯化的脂肪酸,少量中性物。3、禾本科原料的抽出物 主要成分是蜡。4、针叶木与阔叶木有机溶剂抽出物含量、成分及存在位置的差异: 5、有机溶剂抽出物对制浆造纸的影响 有机溶剂抽出物含量
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