第二节造纸植物纤维化学成分与纸张耐久性

第二节造纸植物纤维化学成分与纸张耐久性一、纤维素(cellulose)（一）纤维素的结构纤维素是由若干个ß-葡萄糖(ß-glucose)脱水聚合形成的直链高分子化合物，前一个ß-葡萄糖上C1的（－OH）和后一个ß-葡萄糖C4上的（—OH）脱去一个H2O，以氧桥即甙键（—O—）相连。纤维素分子式（C6H10O5）n,其中C6H10O5为葡萄糖基(glucosyl)，n为聚合度，n表示纤维素长度。n越大，链越长，甙键越多，纸张纤维耐久性越好。1.纤维素的形成两个化学反应：植物体内光合作用(photosysthesis)生成葡萄糖（单糖化合物），ß-葡萄糖脱水聚合(polymerization)生成纤维素（同种单糖聚合而成的均一多糖化合物）。6CO2+6H2O光C6H12O6+6O2nC6H12O6脱水聚合(C6H10O5)n+nH2O2.纤维素的结构特点与纸张耐久性（1）纤维素的直链结构有利于纸张耐久性直链分子之间容易靠近，分子间作用力（范德华力）大，耐久性好。（2）纤维素分子之间能形成氢键(hydrogenbond)，有利于纸张的耐久性氢键的形成，纤维素分子间成千上万个氢氧基靠近到2.6nm的距离内时，一个纤维素分子链上（－OH）中的H原子与另一个纤维素分子链上（－OH）的O原子互相吸引形成氢键。靠静电引力相结合（OH······O）。氢键以虚线表示。分子链越长，氢键结合越多，键能总和越大对纸张强度贡献越大。结晶区(crystallattice)的形成：由于氢键的作用，若干个纤维素分子排列整齐有序，相互靠的很近，形成的结晶状态称为结晶区。结晶区内有害物质和水分难以侵入，纤维素分子不易产生有害反应，提高纸张耐久性。结晶区（稳定区）非结晶区（不稳定区）（二）纤维素的性质1.溶解性(solubility)常温下不溶于水和一般有机溶剂，溶解性能稳定。2.纤维素水解(hydrolysis)纤维素水解反应概念：纤维素分子在一定条件下与水发生加水分解反应，ß-葡萄糖1.4甙键(C1—O)断裂，水分子加入，生成比原来纤维素分子链短的一群物质，即水解纤维素(hydrocellulose)的过程。影响纤维素水解的因素有：水分（空气湿度或纸张含水量）、酸的催化能力与种类、微生物分泌的胞外酶、温度、纤维的种类纤维素水解反应的危害：分子聚合度下降，分子间范得华力和氢键作用力减小，纸张机械强度下降，耐久性受损。3.纤维素氧化(oxidation)纤维素氧化反应概念：纤维素分子在一定条件下分子上的—OH被氧化剂氧化生成含—CHO、—CO、—COOH等，生成与原来纤维素结构不同的氧化纤维素(oxycellulose)的过程。影响纤维素氧化的因素有：氧化剂的种类与数量、光、水分（空气湿度或纸张含水量）、温度纤维素氧化反应的危害：氧化纤维素是一群泛黄、易脆物质的总称，随着—OH氧化ß-葡萄糖1.4甙键(C1—O)容易断裂，引起氧化降解，聚合度下降。葡萄糖基进一步氧化生成乙醛酸、甘油酸、草酸等小分子物质，纸张耐久性受损。4.纤维素的光解光降解(photolysis)光氧化降解(photo-oxilysis)光敏降解(photo-sensilysis)二、半纤维素(hemicellulose)（一）半纤维素的结构半纤维素是由木糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖等非均一单糖脱水聚合形成的高分子化合物。聚合度较纤维素小，有支链。分子间除了有C1和C4的—OH脱水外，还有C1和C6的—OH脱水形成的甙键相连。（二）半纤维素的性质与纤维素相比，容易发生水解、氧化和光解反应。难以产生氢键和结晶区，从而容易溶于碱溶液。容易吸水膨胀，呈现粘滑性。半纤维素的稳定性要比纤维素差。（三）半纤维素的作用吸水润胀性便于打浆，易使纤维解离；适量的半纤维素可以提高纸张强度。三、木素(lignin)（一）木素的结构木素是由十多个或二十多个苯基丙烷为结构单元相互连接而成的三维空间立体网状高分子化合物，上面有许多活泼基团，如—OH、—CH3O、—CHO、—COOH、—C=C—等。（二）木素的性质1.溶解性：不溶于水，常温下不溶于稀碱、稀酸溶液，高温下能与一定浓度的酸和碱作用而溶解，如碱木素、磺化木素均溶于水，化学纸浆去除木素以此为原理。2.氧化性：功能团化学性质不稳定，反应能力强，容易形成氧化木素，氧化后苯环结构受到破坏，生成大量低分子化合物，纸张发黄、发脆、易碎。思考题：1.为什么造纸原料中纤维素含量越高纸张耐久性越好？2.为什么造纸原料中木质素含量越高纸张耐久性越差？3.纤维素和半纤维素在分子结构和理化性质上有什么区别？怎么利用一定比例的半纤维素造纸？4.纤维素水解和水解纤维素，纤维素氧化和氧化纤维素这两对名词有什么不同概念？5.纤维素水解反应的实质、条件和危害是什么？6.纤维素氧化反应的实质、条件和危害是什么？7.档案库内如何控制纤维素发生有害化学反应？名词解释和基本概念：光合作用纤维素分子结构纤维素分子聚合度β葡萄糖1，4甙键纤维素大分子结晶区和非结晶区氢键的形成纤维素水解反应和水解纤维素纤维素氧化反应和氧化纤维素纤维素水解反应催化剂半纤维素分子结构木质素分子结构木质素氧化反应和氧化木质素纤维素分子的酸降解、酶降解、光降解、光氧化降解