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（needleleavedwood）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（softwood）。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（leafwood）图1-1西部铁杉（Tsugaheteroptylla）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（hardwood）。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（Poplarwood）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（SecondaryFiber）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）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（springwood），也称早材（earlywood）；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（autumnwood），又称晚材（latewood）。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，纤维细胞图1-5树径的三个切面示意图较厚，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。图1-9管胞示意图表1-1常见造纸原料的纤维及纤维细胞含量比较原料纤维薄壁细胞导管表皮细胞其他杆状非杆状马尾松98.51.5落叶松98.51.5桉树82.45.012.6钻天杨76.71.921.4龙须草70.56.74.93.710.73.5荻65.54.924.54.80.3甘蔗渣64.310.618.65.31.2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)。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：图1-10松木树脂道结构图（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（woodfibre），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。表1-2针叶材、阔叶材组织结构比较项目针叶材阔叶材年轮除热带外，多数地区中年轮界线明显除环孔材和部分半环孔材外，不明显细胞类型细胞种类少，管胞占90～95%，此外仅有少量木射线，结构简单细胞种类多，木纤维含量低，又有导管、木射线及纵向薄壁细胞，还有少量的管胞，结构复杂木射线特点一般为单列，且为同型木射线部分为单列，多数为双列甚至多列，有同型射线，又有异型射线纤维形态及纹孔较粗且长，纹孔明显又短又细，多数纤维的纹孔不明显树脂道部分针叶材中有树脂道没有树脂道纤维排列规则性横切面中纤维排列规则性强，木材结构较均匀受导管影响，纤维排列规则性不如针叶材，且不同材种的规则性差别甚大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。2、禾秆的细胞组成、形态图1-17禾秆构造示意图（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（groundtissue），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、化学成分和结构等方面的差异，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（middlelamella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、半纤维素等在胞间图1-18纤维细胞壁的微细结构模型层的内侧沉积形成了初生壁（primarywall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（secandarywall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细胞结构形成时期成分特点胞间层细胞分裂末期果胶粘合力强，性质不稳定，容易在酸、碱、酶的作用下破坏初生壁细胞生长过程中纤维素、半纤维素、少果胶厚1-3μm，填充生长，网架结构，薄而可延伸，可随细胞生长不断扩大表面积次生壁细胞停止生长后纤维素、半纤维素及其它物质厚5-10μm，附加生长，厚而坚韧，只有厚度的增加，没有面积的扩大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。表1-4常见的造纸植物纤维原料的纤维形态特征原料长度（mm）宽度（um）长宽比单壁厚（um）腔径（um）壁腔比非纤维细胞含量(%)平均一般平均一般芦苇1.120.60～1.609.75.9～13.4