第二部分-3 植物纤维化学部分-纤维素
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中职化学(农林牧渔类)《纤维素》课件
纤维除了直接用于纺织和造纸外，经再生、衍生等改性处理， 可得到性能更好、应用更广泛的材料。
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。
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
第二节 植物纤维原料的化学成分.
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。
壁、流浆箱、毛毯、造纸网、烘缸、纸张等处，导致粘辊、 糊网、毛毯透气度、纸张有透明点下降等给生产过程及纸张
质量带来不良影响—“树脂障碍” ；
c、抽出物中又有些成分不但导致蒸煮液分解，而且会使纸张 发黄，如落叶松等原料中的双氢栎精（酸法制浆）；桦木漂 白浆中残留物会引起纸浆返黄；
续5 d、抽出物中有些多酚类物质在蒸煮易与木素缩和，而一旦缩 和将不能在碎裂，导致浆中有生片出现，严重的出现“生 煮”。新砍伐的木材含量较高（尤其是针叶木）。 e、有些阔叶木中的多酚类物质在硫酸盐法蒸煮中会与木素发 生缩合反应，造成黑液黏度升高，不利于碱回收。硫酸盐皂 黏度高不利于皂化物的回收和再加工。 6、如何减轻或消除有机溶剂抽出物对制浆造纸产生的不良影 响？ 措施 1.原料储蓄一段时间后用,树脂因风化可减少。 2.备料车间钻孔去节。 3.经过以上措施处理后发现纸浆中树脂含量还较高时, 可加一些滑石粉,然后在纸机净化系统中一并除去。
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、三类代表性原料的主要化成分见表1－1 2、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。
纤维素2
植物纤维化学 第三章 纤维素及其衍生物
陕西科技大学轻工与能源学院
缺点: Standinger方程假设纤维素分子链在溶液中是线型的。实 际上纤维素分子链在溶液中呈无规则线团状，并不是真正 的线性。
为消除由此引起的误差，Mark提出了一个非线性方程。
植物纤维化学 第三章 纤维素及其衍生物
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植物纤维化学 第三章 纤维素及其衍生物
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纸浆中纤维素的平均聚合度可由Immergut 提出的经验公式 计算得出：
植物纤维化学 第三章 纤维素及其衍生物
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植物纤维化学 第三章 纤维素及其衍生物
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我国采用的是北欧标准黏度计。 测量条件:温度恒定(超级恒温水浴：25±0.1℃ ）
微软用户, 2012-9-28
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2．高分子溶液的几种黏度定义
植物纤维化学 第三章 纤维素及其衍生物
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3．纤维素分子量和聚合度与黏度之间的关系 3.1 Einstein方程 — 对球状分子 ηsp = KΦ 或 ηsp = K C / S Φ — 分散相的容积与总溶剂之比； K — 常数，对于求状分子K等于2.5； C — 溶液的浓度（g/L）； S — 质点的比重（或密度）。
植物纤维化学 第三章 纤维素及其衍生物
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3.2 Standinger方程 — 对线状分子
植物纤维化学 第三章 纤维素及其衍生物
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植物纤维化学 第三章 纤维素及其衍生物
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植物纤维化学 第三章 纤维素及其衍生物
植物纤维化学复习总结（整理版5.7））
植物纤维化学复习总结（整理版5.7））植物纤维化学总结第⼀章植物纤维原料的化学成分及⽣物结构1、（1）纤维素(Cellulose)是由D－吡喃式葡萄糖基通过1，4-β苷键联结⽽成的均⼀的线状⾼分⼦化合物。
（2）半纤维素（Hemicellulose）由①两种或两种以上单糖基（②葡萄糖基、⽊糖基、⽢露糖基、半乳糖基、阿拉伯糖基等）组成的⾮均⼀聚糖，并且分⼦中往往带有数量不等的③⽀链。
④构成半纤维素短的侧链糖基有：⽊、葡、阿、半、岩藻、⿏李、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸等，还含有⼄酰基。
特点：①②③④（3）⽊素（Lignin）由苯基丙烷结构单元(即C6-C3单元)通过醚键、碳-碳键连接⽽成的具有三维⽴体结构的芳⾹族⾼分⼦化合物.⽊素的作⽤：以物理或化学⽅式使纤维素纤维之间粘结和加固，增加⽊材的机械强度和抵抗微⽣物侵蚀的能⼒，使⽊化植物直⽴挺拔和不易腐朽。
（4）草类（straw）针叶材（needle leaved wood或soft wood）阔叶材（leaf wood 或hard wood）克-贝纤维素（Cross and Bevan Cellulose) 果胶质（Pectin）灰分(Ash) 髓⼼（pith）树⽪（Bark）形成层（Cambium）韧⽪部(phloem) ⽊质部(xylem) 胞间层（Middle Lamella）导管（vessel elements）⽊薄壁细胞（parenchyma cell）⽊射线细胞（ray cell）初⽣壁（Primary Wall）次⽣壁（Secondary wall）（5）综纤维素(Holo-cellulose) ⼜称总纤维素，指造纸植物纤维原料除去抽出物和⽊素后所留下的部分（即纤维素和半纤维素的总称）。
（6）植物纤维：失去⽣命机能的细长锐端永久细胞2、α—纤维素：⽤17.5%NaOH或（24%KOH）溶液在20℃下处理综纤维素或漂⽩化学浆45min，将其中的⾮纤维素碳⽔化合物⼤部分溶出，留下的纤维素及抗碱的⾮纤维素碳⽔化合物，分别称为综纤维素的α-纤维素或化学浆的α-纤维素。
第二部分2植物纤维化学部分木素ppt课件
洗涤烘干
称量
对于酸可溶木素的定量，可以用紫外吸收法在 205nm处测量。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
2. 物理方法 紫外光（UV）及可视光吸收、荧光、固
1、甲氧基
甲氧基（-OCH3）是木素最有特征的功能基。
甲氧基在原料木素中的含量
原料木素 针叶木木素 阔叶木木素 草类 甲氧基含量 14％～16％ 19％～22％ 14％～15％
为什么含量多
联系木素基本结构单元的结构
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
木素的存在 木素的分离与研究 木素的化学构造 木素的化学反应 木素的物理性质及其利用
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
第一节 木素的存在
定义：木素是由苯基丙烷结构单元（C6-C3单元）通 过醚键、碳-碳键联接而成的具有三维立体结构的芳 香族高分子化合物。 是具有共同性质的一类物质的 总称。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
第三节 木素的化学构造
研究的内容：
木素的功能基 木素的结构单元的类型 各种结构单元量的比例 木素结构单元间的连接方式
纤维素
CH 2O H
CH 2O H O OH
HO OH OH
（2）葡萄糖的羰酰基是半缩醛基，位于葡萄 糖分子的端部
2
苷羟基 苷原子
HO ＊ H C
H
1 C
O
OH
H 2 OH
HO
H O HO 3 H
H OH
H 4 OH
Hபைடு நூலகம்
H 5 OH
CH2OH
6 CH2OH
β-D-(+)-葡萄糖
（3）葡萄糖环是六环（吡喃型）而不是五环型（呋 喃型）
第2章 纤维素
2.1 纤维素的化学结构
前言
纤维素是构成植物细胞的基本成分，它存在 于高等植物细胞壁当中，是植物界中一种最丰 富的可再生的天然高分子化合物（几百亿吨/ 年）。
纤维素在纺织工业、造纸工业、木材工业等 领域有着多种重要的用途。
纤维素是植物纤维原料的主要化学组成之一， 它与半纤维素、木素一起，构成植物体的支持骨 架。
这5种结晶变体属同质多晶体。
同质多晶体：对某些晶体来讲，它 们具有相同的化学结构，但单元晶 胞不同，称之同质多晶体。
纤维素Ⅰ 天然存在的纤维素，如细菌纤维素、海 藻和高等植物细胞壁中的纤维素
H C OH H C OH
CH2OH
CH2OH O OH
HO OH OH
α-D-葡萄糖
β-D-葡萄糖
CHO H C OH HO C H H C OH H C OH
CH2OH
H 6
H
5C OH
CH2OH
4C
OH
H CH O 1
OH C C
3
2
H OH
楔型线表示指向纸平面的键，虚线表示指向纸平面后面的键。
CH 2O H O OH
HO OH OH
（2）葡萄糖的羰酰基是半缩醛基，位于葡萄 糖分子的端部
2
苷羟基 苷原子
HO ＊ H C
H
1 C
O
OH
H 2 OH
HO
H O HO 3 H
H OH
H 4 OH
Hபைடு நூலகம்
H 5 OH
CH2OH
6 CH2OH
β-D-(+)-葡萄糖
（3）葡萄糖环是六环（吡喃型）而不是五环型（呋 喃型）
第2章 纤维素
2.1 纤维素的化学结构
前言
纤维素是构成植物细胞的基本成分，它存在 于高等植物细胞壁当中，是植物界中一种最丰 富的可再生的天然高分子化合物（几百亿吨/ 年）。
纤维素在纺织工业、造纸工业、木材工业等 领域有着多种重要的用途。
纤维素是植物纤维原料的主要化学组成之一， 它与半纤维素、木素一起，构成植物体的支持骨 架。
这5种结晶变体属同质多晶体。
同质多晶体：对某些晶体来讲，它 们具有相同的化学结构，但单元晶 胞不同，称之同质多晶体。
纤维素Ⅰ 天然存在的纤维素，如细菌纤维素、海 藻和高等植物细胞壁中的纤维素
H C OH H C OH
CH2OH
CH2OH O OH
HO OH OH
α-D-葡萄糖
β-D-葡萄糖
CHO H C OH HO C H H C OH H C OH
CH2OH
H 6
H
5C OH
CH2OH
4C
OH
H CH O 1
OH C C
3
2
H OH
楔型线表示指向纸平面的键，虚线表示指向纸平面后面的键。
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。
《植物纤维素化学》PPT课件
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26
三、纤维素的热降解
热降解是指纤维素在受热过程中，其结 构、物理和化学性质发生的变化。 包括聚合度和强度的下降、挥发性成分 的逸出、质量的损失以及结晶区的破坏。 严重时还产生纤维素的分解，甚至发生 碳化反应或石墨化反应。
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28
四、纤维素表面电化学性质
纤维素纤维在水中表面带负电荷
2
木材组分化学分析
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3
木材成分分析示意图
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4
纤维素是自然界中最丰富的可再生资源:
木材纤维和非木材纤维（竹类、禾草类） 纤维素+半纤维素+木素（80-95%） 在植物纤维中，纤维素是决定纤维特征， 并使它能应用于造纸的物质。
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5
第一节 纤维素分子结构
1、化学结构
纤 维 素 是 由 β-D- 吡 喃 葡 萄 糖 基 彼 此 以 （1-4）-β-苷键连接而成的线性高分子化 学结构为：
由于纤维素分子链中每个失水葡萄糖单 元上有3个羟基，所以，取代度只能小于 或等于3.
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35
二、纤维素的多相反应与均相反应
1、纤维素多相反应的主要特点 天然纤维素的高结晶性和难溶性，决定 了多数的化学反应都是在多相介质中进 行的。 纤维素分子内和分子间氢键的作用，导 致多相反应只能在纤维素的表面上进行。
意义：纤维素工业带来巨大变革和对纤 维生物质的利用产生重大影响
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21
（1）水体系溶剂：
1）无机酸类 如H2SO4（65%~80%）、HCL （40%~42%）、H2PO4（73%~83%） 和HNO3（84%），这些酸溶解纤维素时， 伴有水解作用，使纤维素发生严重的降 解。
第二部分-3 植物纤维化学部分-纤维素
第二部分-3 植物纤维化 学部分-纤维素
纤维素是自然界中最古老、最丰富 的天然高分子，是重要的生物可降解性 和可再生的生物质资源之一。
定义：在常温下不溶于水、稀酸和 稀碱的D-葡萄糖基以β-1，4-苷键联接起 来的链状高分子化合物。
纤维素是诸多工业的主要原料，在造纸工业、 纺织工业、木材工业等领域中都有重要用途。关于 纤维素化学与工业的研究始于160多年前，是高分 子化学诞生及其发展时期的主要研究对象。
由于化石资源储量的不断减少，拓展纤维素资 源的高附加值利用是全球经济、能源和新材料发展 的热点领域之一。
第一节 纤维素的化学与物理结构
纤维素结构：指纤维素不同尺度结构单 元在空间的相对排列，包括高分子的链 结构、聚集态结构和形态结构。
近程结构（一级） 一次结构：链结构
远程结构 （二级）
纤维素结构 二次结构：聚集态结构
形态结构（三次结构）：比超分子结构更大一些，光 学显微镜下可见。如多重细纤维结构，纤维断面的 形状、结构和组成。
链结构
近程结构（第一层次结构）：指单个分子内一个或 几个结构单元的化学结构和立体化学结构。
远程结构（第二层次结构）：指单个分子的大小与 形态、链的柔顺性和在空间所存在的各种形状（构 象）。
下式为用不同方法测得纤维素结晶度的比较。
方法 密度法 X-射线法 水解法 甲酰法 重水交换法
棉花纤维素的结晶度（%） 60 80 93 87 56
结晶度与纤维性能的关系
纤维结晶度升高，则：
1）纤维的吸湿性下降； 2）纤维润胀程度下降； 3）纤维伸长率下降； 4）纤维的抗张强度上升。
纤维素的细纤维结构
纤维结构可简述如下：
真正的结构单元
纤维素分子链
纤维素是自然界中最古老、最丰富 的天然高分子，是重要的生物可降解性 和可再生的生物质资源之一。
定义：在常温下不溶于水、稀酸和 稀碱的D-葡萄糖基以β-1，4-苷键联接起 来的链状高分子化合物。
纤维素是诸多工业的主要原料，在造纸工业、 纺织工业、木材工业等领域中都有重要用途。关于 纤维素化学与工业的研究始于160多年前，是高分 子化学诞生及其发展时期的主要研究对象。
由于化石资源储量的不断减少，拓展纤维素资 源的高附加值利用是全球经济、能源和新材料发展 的热点领域之一。
第一节 纤维素的化学与物理结构
纤维素结构：指纤维素不同尺度结构单 元在空间的相对排列，包括高分子的链 结构、聚集态结构和形态结构。
近程结构（一级） 一次结构：链结构
远程结构 （二级）
纤维素结构 二次结构：聚集态结构
形态结构（三次结构）：比超分子结构更大一些，光 学显微镜下可见。如多重细纤维结构，纤维断面的 形状、结构和组成。
链结构
近程结构（第一层次结构）：指单个分子内一个或 几个结构单元的化学结构和立体化学结构。
远程结构（第二层次结构）：指单个分子的大小与 形态、链的柔顺性和在空间所存在的各种形状（构 象）。
下式为用不同方法测得纤维素结晶度的比较。
方法 密度法 X-射线法 水解法 甲酰法 重水交换法
棉花纤维素的结晶度（%） 60 80 93 87 56
结晶度与纤维性能的关系
纤维结晶度升高，则：
1）纤维的吸湿性下降； 2）纤维润胀程度下降； 3）纤维伸长率下降； 4）纤维的抗张强度上升。
纤维素的细纤维结构
纤维结构可简述如下：
真正的结构单元
纤维素分子链
《植物纤维》PPT课件
整理课件
24
（五）棉纤维的业务检验
1. 业务检验 2. 工商交接时进行的检验，或称商业检验。
检验项目有品级、（手扯）长度、含水、含杂。
（1）品级 细绒棉——1-7级，3级为标准级，1-5级为纺用棉，
7级以下为级外棉。 长绒棉——1-5级 ➢ 品级评定依据： 成熟度、色泽特征、轧工质量 ➢ 评定方法：实物标准结合文字标准（品级条件）
成熟正常
色洁白或 乳白，有 丝光，有 少量淡黄 染
黄根、杂 质很少
成熟好
色洁白或 乳白，丝 光好，微 有淡黄染
索丝、棉 结、杂质 很少
黄根、杂 质少
成熟正常
色洁白或 乳白，有 丝光，稍 有淡黄染
索丝、棉 结、杂质 少
（ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）（手扯）长度 用手扯法来测定：按照规定的工作法，反复拉
扯棉束，把梳理好的棉纤维放在黑绒板上，用钢板 尺测量。
（2）彩色棉：天然生长的非白色棉花，有称有 色棉。产品不用染色，无污染。
整理课件
8
（二）棉纤维的生长发育与形态特征
1、棉纤维的生长发育
整个棉纤维的形成过程可分为三个时期:伸长期、加 厚期、转曲期。 （1）伸长期：主要增长长度而胞壁极薄，形成有中腔的 细长薄壁管状物。（16-25天）
（2）加厚期：细胞壁由外向里逐日螺旋淀积纤维素，最 后留有中腔，与成熟度有关。（35-55天）
整理课件
37
⑥ 2. 5％跨距长度：数字式照影仪测试时，离纤维 梳子即钳口线3.81mm（0.15in）处纤维相对根数设 为100％时从钳口线到纤维相对根数为2.5％处的距 离。
整齐度=(L50%/L2.5%)×100%
整理课件
2. 细度
分直接指标和间接指标。（P25） （1）直接指标：用直径、截面积及宽度等来表 达。
植物纤维原料及三大成分
的是材质较松软的品种，如杨、桉、柳、楹木、相思木等。
（二）非木材纤维原料
1、禾本科纤维原料： 竹子、芦苇、荻、芒秆、甘蔗渣、麦草等。 2、韧皮纤维原料： 树皮类：桑皮、檀皮、构皮、棉秆皮等。 麻类：红麻、大麻、黄麻、青麻、亚麻等。
三倍体毛白杨
尾叶桉
马占相思
竹子
稻草
玉米杆
甘蔗渣
1
芦苇
麦草
分布
木素浓度最高的部位在复合胞间层（CML）；次生壁的浓 度低。但大量的木素都存在于次生壁。 CML占木材纤维的体积分数6～12%；次生壁80～90% 是原料及纸浆的颜色的主要来源；
木素含量：针叶材>阔叶材>禾本科>棉花。 与制浆造纸的关系 1、其含量是制定蒸煮及漂白工艺条件的重要
依据。 2、化学制浆和漂白过程是脱除木素的过程,
大麻
3、籽毛纤维原料 棉花、棉短绒及棉质 破布等。
4、叶部纤维原料 香蕉叶、甘蔗叶、 龙须草等。
棉花
龙须草
甘蔗基地
香蕉树
（三）半木材纤维原料
主要指棉杆，结构介于木材和禾本 科原料之间。
二 植物纤维原料的化学成分
¾ 原料化学组成是我们制定工艺条件的依据，也与 纸张质量、生产过程以及污染控制等方面有密切 的关系。
9 与制浆造纸的关系 1. 原料的纤维素含量高低，是评价原料的制浆造纸价值的基 本依据。 2. 它是植物纤维原料和纸浆的主要化学成分，在制浆过程中 尽量不受破坏。
(C6H10O5)n
2、半纤维素（hemicellulose）
定义：
半纤维素是由两种或两种以上单糖基（葡萄糖基、木 糖基、甘露糖基、半乳糖基、阿拉伯糖基及鼠李糖基 等）组成的非均一聚糖，并且分子中往往带有数量不 等的支链。
（二）非木材纤维原料
1、禾本科纤维原料： 竹子、芦苇、荻、芒秆、甘蔗渣、麦草等。 2、韧皮纤维原料： 树皮类：桑皮、檀皮、构皮、棉秆皮等。 麻类：红麻、大麻、黄麻、青麻、亚麻等。
三倍体毛白杨
尾叶桉
马占相思
竹子
稻草
玉米杆
甘蔗渣
1
芦苇
麦草
分布
木素浓度最高的部位在复合胞间层（CML）；次生壁的浓 度低。但大量的木素都存在于次生壁。 CML占木材纤维的体积分数6～12%；次生壁80～90% 是原料及纸浆的颜色的主要来源；
木素含量：针叶材>阔叶材>禾本科>棉花。 与制浆造纸的关系 1、其含量是制定蒸煮及漂白工艺条件的重要
依据。 2、化学制浆和漂白过程是脱除木素的过程,
大麻
3、籽毛纤维原料 棉花、棉短绒及棉质 破布等。
4、叶部纤维原料 香蕉叶、甘蔗叶、 龙须草等。
棉花
龙须草
甘蔗基地
香蕉树
（三）半木材纤维原料
主要指棉杆，结构介于木材和禾本 科原料之间。
二 植物纤维原料的化学成分
¾ 原料化学组成是我们制定工艺条件的依据，也与 纸张质量、生产过程以及污染控制等方面有密切 的关系。
9 与制浆造纸的关系 1. 原料的纤维素含量高低，是评价原料的制浆造纸价值的基 本依据。 2. 它是植物纤维原料和纸浆的主要化学成分，在制浆过程中 尽量不受破坏。
(C6H10O5)n
2、半纤维素（hemicellulose）
定义：
半纤维素是由两种或两种以上单糖基（葡萄糖基、木 糖基、甘露糖基、半乳糖基、阿拉伯糖基及鼠李糖基 等）组成的非均一聚糖，并且分子中往往带有数量不 等的支链。
植物纤维原料的化学组成..
-纤维素、-纤维素、-纤维素、工业纤维素
不溶解部分 -纤维素（纤维素和抗碱的 半纤维素）
17.5%NaOH （24%KOH）
沉淀部分 -纤维素
（高度降解的纤维 素和半纤维素） 工业半 纤维素 不沉淀部分 -纤维素 （半纤维素）
漂白化学浆 或综纤维素
20℃处理45min
醋酸中和 溶解部分
说明： a.同一原料不同方法所获得的纤维素量不同： 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。
与制浆造纸的关系
1. 原料的纤维素含量高低，是评价原料的 制浆造纸价值的基本依据。
棉：95－99％，苧麻：80－90％ ，木材：40－50％ 竹：40－50％ ，麦草：30－49％
2. 它是植物纤维原料和纸浆的主要化学成 分，在制浆过程中尽量不受破坏。
半纤维素
半纤维素的来源
存在于植物细胞壁中 是植物细胞壁三大组分之一 是地球上最丰富最、廉价的可再生资源之一 3.5*1010t/y
与制浆造纸的关系
1、对一般纸浆，半纤维素是尽量保留成分， 提高纸浆得率，对纸浆的性能及成纸性能 也有良好的影响；
2、生产纤维素衍生物用的化学浆，应尽量 除去，以免影响纤维素的化学加工。
木素
定义 木素是由苯丙烷结构单元(即C6-C3单元) 通过醚键、碳-碳键等连接而成的具有三维空 间结构的芳香族高分子化合物.
3
3 4
22第二节植物纤维原料的化学成分PPT课件
分，在制浆过程中尽量不受破坏。
5
2、半纤维素（hemicellulose）
定义：
半纤维素是由两种或两种以上单糖基（葡萄 糖基、木糖基、甘露糖基、半乳糖基、阿拉 伯糖基及鼠李糖基等）组成的非均一聚糖， 并且分子中往往带有数量不等的支链。
6
半纤维素的性质及对制浆造纸的影响 1、造纸用化学浆应尽量多保留半纤维素，
15
1、抽提剂及抽出物
抽提剂：水、碱、丙酮、乙醚、乙醇、苯醇混合液。
抽出物：无机盐、糖类、植物碱、单宁、 色素、淀粉、果胶质、脂肪、脂肪酸、树 脂、树脂酸、酚类物质、蜡、香精油等。
16
2、不同原料的有机溶剂抽出物
① 针叶木的抽出物
针叶木中，松木和柏木的有机溶剂抽出物的含量是
比较高的（尤其在心材中），其主要成分为松香酸、 萜烯类化合物、脂肪酸及不皂化物。 针叶木有机溶剂抽出物主要存在于树脂道和射线薄 壁细胞中，心材含量比边材含量高。
纤维素
水解产物 D－ 葡 萄 糖
半纤维素
水解获得 各种单体
己糖 （ D－ 葡 萄 糖 ） （ D－ 甘 露 糖 ） （ D－ 半 乳 糖 ）
造纸植物纤维原料的化学组成组成
戊糖 （ D－ 木 糖 ） （ D－ 阿 拉 伯 糖 ）
糖醛酸
乙酰基
3
一、植物纤维原料的主要成分
1、纤维素(cellulose)
21
4、灰分
① 定义
造纸植物纤维原料都含有一定量的矿物质。纤维原料 燃烧和灰化后剩下的物质。
② 木材与草类原料的灰分含量与组成有很大差别
22
说明： a、大多数木材原料灰分为0.3－0.5％，禾本科原料
的灰分多数在2－5％；
b、原料不同、位置不同、年龄不同，灰分含量以 及灰 分中各种元素的比例不同，与植物生长环境 也有关系
5
2、半纤维素（hemicellulose）
定义：
半纤维素是由两种或两种以上单糖基（葡萄 糖基、木糖基、甘露糖基、半乳糖基、阿拉 伯糖基及鼠李糖基等）组成的非均一聚糖， 并且分子中往往带有数量不等的支链。
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半纤维素的性质及对制浆造纸的影响 1、造纸用化学浆应尽量多保留半纤维素，
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1、抽提剂及抽出物
抽提剂：水、碱、丙酮、乙醚、乙醇、苯醇混合液。
抽出物：无机盐、糖类、植物碱、单宁、 色素、淀粉、果胶质、脂肪、脂肪酸、树 脂、树脂酸、酚类物质、蜡、香精油等。
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2、不同原料的有机溶剂抽出物
① 针叶木的抽出物
针叶木中，松木和柏木的有机溶剂抽出物的含量是
比较高的（尤其在心材中），其主要成分为松香酸、 萜烯类化合物、脂肪酸及不皂化物。 针叶木有机溶剂抽出物主要存在于树脂道和射线薄 壁细胞中，心材含量比边材含量高。
纤维素
水解产物 D－ 葡 萄 糖
半纤维素
水解获得 各种单体
己糖 （ D－ 葡 萄 糖 ） （ D－ 甘 露 糖 ） （ D－ 半 乳 糖 ）
造纸植物纤维原料的化学组成组成
戊糖 （ D－ 木 糖 ） （ D－ 阿 拉 伯 糖 ）
糖醛酸
乙酰基
3
一、植物纤维原料的主要成分
1、纤维素(cellulose)
21
4、灰分
① 定义
造纸植物纤维原料都含有一定量的矿物质。纤维原料 燃烧和灰化后剩下的物质。
② 木材与草类原料的灰分含量与组成有很大差别
22
说明： a、大多数木材原料灰分为0.3－0.5％，禾本科原料
的灰分多数在2－5％；
b、原料不同、位置不同、年龄不同，灰分含量以 及灰 分中各种元素的比例不同，与植物生长环境 也有关系
第二节植物纤维原料的化学成分
半纤维素的性质及对制浆造纸的影响 1、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。 2、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。
3、木素
定义
木素是由苯丙烷结构单元(即C6-C3单元)通过醚键、碳-碳 键等连接而成的具有三维空间结构的芳香族高分子化合物.
c、原料中灰分是呈氧化物状态的矿物质元素
③ 与制浆造纸的关系
灰分对制浆造纸的影响 a、纸浆中Cu、Fe、Mn等金属离子对纸浆的颜色以及纸 浆过氧化 氢、氧气、臭氧漂白会产生不良影响，而 且会促进漂剂分解。 b、原料中尤其是草类原料灰分中的SiO2和Na2O反应后 溶于黑液（Na2SiO3是粘合剂）给碱回收造成许多困 难，黑液的提取率降低，并严重影响碱回收过程， 称之为硅干扰。
4、灰分
① 定义
造纸植物纤维原料都含有一定量的矿物质。纤维原 料燃烧和灰化后剩下的物质。
② 木材与草类原料的灰分含量与组成有很大差别
说明： a、大多数木材原料灰分为0.3－0.5％，禾本科原料 的灰分多数在2－5％；
b、原料不同、位置不同、年龄不同，灰分含量以及 灰 分中各种元素的比例不同，与植物生长环境也 有关系
2.34
0.37 4.43 2.16 0.23 0.66 2.39
12.43 22.87 21.32 15.61 30.98 29.86 44.56 48.79
11.62 8.54 25.90 22.61 21.12 23.40 25.56 21.08
-
9.29
70.75
28.43 1.32 46.92 28.42 0.94 51.86 22.91 1.69 53.43 17.10 1.76 43.24 30.67 0.7 20.72 45.50 50.15
植物纤维化学第4讲化学组成
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 (苯醇抽出物alcohol benzene extractive）
水解获得单糖 sugar 己糖 D-glucose D-甘露糖mannose D-半乳糖galactose 戊糖 D-木糖 xylose L-阿拉伯糖arabinose 糖醛酸和甲氧基糖醛酸化合物 乙酰基 acyl
有机溶剂抽出物
芳香族化合物aromatic 萜烯类化合物 terpenoid
脂肪酸 fatty acid 脂肪与蜡 fat /wax
第二部分 化学部分
植 物 纤 维 的 化 学 组 成
第四章
提 取 物
第五章
纤
半
木
维
纤
素
素
维
素
第六章
第七章
第八章
水分测定方法：
(1）烘干法（2）蒸馏法（3）仪表法 木材的吸湿性是指木材由空气中吸收水分或 蒸发水分的性能。
湿材在空气中会发生水分蒸发，此过程为解吸过程 干材会由空气中吸着水分，此过程为吸湿过程
细胞壁主要组分
细胞壁少量组分
（高分子量物质）
（低分子量物质）
木素 lignin
碳水化合物 carbohydrate
无机物(灰分 ash) 有机物
inorganic
organic extractives
纤维素
cellulose
水解产物 D-葡萄糖 D-glucose
半纤维素
hemicelluloses
甘露糖Man和葡萄糖Glc， 4.构成半纤维素短的支链糖基、糖醛酸基有：木糖、
葡萄糖、阿拉伯糖Ara、半乳糖Gal 、鼠李糖Rha、 葡萄糖醛酸GlcA、半乳糖醛酸等GalA。 ► 半纤维素的4个特点：
水解获得单糖 sugar 己糖 D-glucose D-甘露糖mannose D-半乳糖galactose 戊糖 D-木糖 xylose L-阿拉伯糖arabinose 糖醛酸和甲氧基糖醛酸化合物 乙酰基 acyl
有机溶剂抽出物
芳香族化合物aromatic 萜烯类化合物 terpenoid
脂肪酸 fatty acid 脂肪与蜡 fat /wax
第二部分 化学部分
植 物 纤 维 的 化 学 组 成
第四章
提 取 物
第五章
纤
半
木
维
纤
素
素
维
素
第六章
第七章
第八章
水分测定方法：
(1）烘干法（2）蒸馏法（3）仪表法 木材的吸湿性是指木材由空气中吸收水分或 蒸发水分的性能。
湿材在空气中会发生水分蒸发，此过程为解吸过程 干材会由空气中吸着水分，此过程为吸湿过程
细胞壁主要组分
细胞壁少量组分
（高分子量物质）
（低分子量物质）
木素 lignin
碳水化合物 carbohydrate
无机物(灰分 ash) 有机物
inorganic
organic extractives
纤维素
cellulose
水解产物 D-葡萄糖 D-glucose
半纤维素
hemicelluloses
甘露糖Man和葡萄糖Glc， 4.构成半纤维素短的支链糖基、糖醛酸基有：木糖、
葡萄糖、阿拉伯糖Ara、半乳糖Gal 、鼠李糖Rha、 葡萄糖醛酸GlcA、半乳糖醛酸等GalA。 ► 半纤维素的4个特点：
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第三章 纤维素
第一节 纤维素的化学与物理结构 第二节 纤维素的相对分子质量和聚合 度 第三节 纤维素的物理及物理化学性质 第四节 纤维素的化学反应
纤维素是自然界中最古老、最丰富 的天然高分子，是重要的生物可降解性 和可再生的生物质资源之一。 定义：在常温下不溶于水、稀酸和 稀碱的D-葡萄糖基以β-1，4-苷键联接起 来的链状高分子化合物。
聚集态结构（二次结构）：超分子结构，处于平衡态 时纤维素大分子链相互间的几乎排列特征，包括晶 体结构（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、微晶的大小）和取向结构 （分子链和微晶的取向）。 形态结构（三次结构）：比超分子结构更大一些，光 学显微镜下可见。如多重细纤维结构，纤维断面的 形状、结构和组成。
c0
sp
c
粘度与相对分子质量之间的关系：
－分子质量： 162 －纤维素分子链的分子式： C6H11O5-(C6H10O5)n-2- C6H11O5 －聚合度：n
纤维素分子为极长的链分子，属线型高分子化 合物。
M r /162 n
2）纤维素大分子的葡萄糖基间的联接都是β － 苷键联接
由于苷键的存在，使纤维素大分子对水解作 用的稳定性降低。在酸或高温下与水作用，可使 苷键破裂，纤维素大分子降解。 在酸中：β -苷键水解速度比α -苷键小。
3、粘均相对分子质量 M
用溶液粘度法测得的相对分子质量。
α=0.5~1（高分子稀溶液特性粘度）
M n M M w
三、纤维素的相对分子质量和聚合பைடு நூலகம்的测定方法
（一） （二） （三） （四） （五） （六） 沸点升高和冰点降低法 蒸气压下降法 渗透压法 光散射法 超速离心法 粘度法
原理上都是将下纤维素物料溶解于纤维素的 溶剂中，以所形成的纤维素溶液来进行测定。
氢键对纤维素性质的影响
1）对吸湿性的影响 氢键的形成，使纤维及纸页的吸湿性降低。 2）对溶解度的影响 分子间氢键破坏程度大的溶解度大。 干燥过的纤维素的溶解度小于未经干燥的纤 维素的溶解度。 3）对反应能力的影响 氢键的形成阻碍反应的进行。
氢键存在对纸浆和纸张的性能有重要影响
纸的强度决定于纤维本身的强度和纤维间的结合
链结构
近程结构（第一层次结构）：指单个分子内一个或 几个结构单元的化学结构和立体化学结构。 远程结构（第二层次结构）：指单个分子的大小与 形态、链的柔顺性和在空间所存在的各种形状（构 象）。
一、 纤维素的化学结构（近程结构）
组成纤维素的基本结构单元是什么？结构单 元间如何联接的？
1）纤维素大分子的基本结构单元是D－吡喃式葡萄 糖基（即失水葡萄糖）。 2）纤维素大分子的葡萄糖基间的联接都是β-苷键联 接。 3）纤维素大分子每个基环均具有3个醇羟基。 4）纤维素大分子的两个末端基，一个具有还原性， 另一个是非还原性的。整体呈极性。
氢键的特点： 氢键具有方向性； 氢键具有饱和性。 键长较小 0.3nm以内 键能较小 20.9~33.5kJ/mol
结晶区和无定形区氢键的区别
结晶区：所有羟基均形成氢键，因此结晶区分子间的 结合力强，即氢键结合力强，水分子不易进入，形成 永久结合点。 （无游离羟基） 无定形区：只有部分羟基形成氢键，另一部分羟基呈 游离状况，结合力较弱，氢键始终处于结合→破裂→ 再结合的过程中，水分子进入无定形区与纤维素形成 氢键水桥，产生润胀作用，形成暂时结合点。 （存在部分游离羟基）
r 0
表示相对于纯溶剂来讲，溶液粘度增加的分数。无 因次量。
0 sp r 1 0
（3）比浓粘度ŋsp／c 表示增比粘度与浓度之比。因次为浓度倒数。 （4）特性粘度[ŋ] 表示溶液无限稀释，即溶液浓度趋于零时，比浓粘 度值。因次同比浓粘度。
lim
纤维素分子链取向良 好 密度较大 分子间的结合力最强 结晶区对强度的贡献 大。
纤维素分子链取向较差 分子排列无秩序，分子 间距离较大，密度低， 分子间的氢键结合数量 少，故非结晶区对强度 的贡献小。
（二）纤维素的结晶度及可及度
1. 纤维素结晶度
纤维素的结晶度是指纤维素构成的结晶区占纤维素 整体的百分率，它反映纤维素聚集时形成结晶的程 度。
强度。
打浆过程促使纤维的细纤维化，使表面暴露出更
多的羟基，当纤维纸浆在纸机上成纸经过干燥后，
纤维之间形成氢键而使结合力增加，导致纸页具 有强度。
第二节 纤维素的相对分子质量 和聚合度
什么是纤维素的聚合度？
纤维素聚合度（DP）：纤维素大分子链中D－ 葡萄糖基的数目。
纤维素聚合度表征纤维素分子链的长短，聚合 度上升时，纤维素强度加大。
O O
HO
O O
OH
纤维素大分子的构象如图所示,其葡萄糖单元成椅式 扭转,每个单元上C2位羟基、 C3位羟基和C6位取代基均 处于水平位置。
三、纤维素大分子聚集态结构（二次结构）
（一）纤维素的结晶结构
纤维素的聚集状态，可以理解成一种由结 晶区和无定形区交错结合的体系，从结晶区到无 定形区是逐步过度的，无明显界限。 一个纤维素分子链可以经过若干结晶区和无 定形区。
每一个结晶区称为微晶体。
结晶区：纤维素大分子的聚集， 一部分的分子排列比较整齐、有 规则，呈现清晰的X－射线图； 无定形区：另一部分的分子链排 列不整齐、较松弛， 但其取向 大致与纤维主轴平行。
L为微晶体的长度，纤维素主链通 过一个以上的微晶体
结晶区和非结晶区的特点 结晶区:
非结晶区:
纤维素结构：指纤维素不同尺度结构单 元在空间的相对排列，包括高分子的链 结构、聚集态结构和形态结构。 近程结构 （一级） 一次结构：链结构 远程结构 （二级）
纤维素结构
二次结构：聚集态结构
三次结构：形态结构
链结构（一次结构）：表明一个分子链中原子或基因 的几何排列情况。其中又包括尺度不同的两类结构。
1）纤维素大分子的基本结构单元是D－吡 喃式葡萄糖基（即失水葡萄糖）
CHO CH2OH
O
H
C OH
CH2OH
HO C H
H C OH H C OH CH2OH
开链式结构
O
OH
HO OH
OH OH
HO OH
OH
β -D-葡萄糖
α -D-葡萄糖
α -D-葡萄糖、β -D-葡萄糖
－基环分子式：C6H10O5
结晶度/可及度测定方法
结晶度：X射线衍射法、红外光谱法
可及度：水解法、重水交换法、甲酰化法、吸碘 吸溴法等。这些方法实际也可用来测纤维素物料 的结晶度。
对于同一纤维物料，用不同方法测得的结晶度不同， 差别较大，所以指出某一结晶度时，必须具体说明测定 方法，如：X-射线结晶度、密度结晶度等。 下式为用不同方法测得纤维素结晶度的比较。
一、概述
纤维素的相对分子质量M和聚合度DP
相对分子质量M和聚合度DP之间的关系为： C6H11O6—(C6H10O5)n-2—C6H11O5 M＝162×n＋18
DP很大时，上式中18可以忽略不计！ M＝162×n 或 n=M/162
纤维素的强度与聚合度的关系
不同原料纤维素的聚合度
天然棉纤维素大约由15300个葡萄糖基组成； 木材纤维素的聚合度大约8000～10000个；
方法 密度法 X-射线法 水解法 甲酰法 重水交换法 棉花纤维素的结晶度（%） 60 80 93 87 56
结晶度与纤维性能的关系
纤维结晶度升高，则：
1）纤维的吸湿性下降； 2）纤维润胀程度下降； 3）纤维伸长率下降； 4）纤维的抗张强度上升。
纤维素的细纤维结构
纤维结构可简述如下： 纤维素分子链 原细纤维 微细纤维 细纤维 光学显微镜只能观察到细纤维（3000-5000Å） 电子显微镜可以看到脱木素后的微细纤维 （120-150Å)、原细纤维（30-35Å）。
二、纤维素大分子的构象（二级结构）
构型：指分子中的基团或原子团化学键所固定的空间 几何排列，这种排列是稳定的，要改变构型必须经过 化学键的断裂。 构象：一定构型的分子，在其键允许的范围内，原子 或原子团旋转或相互扭转时，能以不同的空间排布存 在，这种空间排布称为构象。可以理解为由于各基团 围绕单键内旋转而形成聚合物链的不同形态。
3）纤维素大分子每个基环均具有3个醇羟基
三个醇羟基，分别位于2、3、6位，其中C2、C3
为仲醇羟基，而在C6为伯醇羟基。
4）纤维素大分子的两个末端基，一个具有还原 性，另一个是非还原性的
纤维素分子链一端的葡萄糖基第一个碳原子上存在 一个苷羟基，当葡萄糖环结构变成开链式时，此羟基即 变为醛基而具有还原性，故苷羟基具有潜在的还原性， 又有隐性醛基之称。
粘度法测相对分子质量
目前我国对浆粕纤维素分子量测定的标准方法， 引用了北欧标准，采用粘度法测定。 粘度是液体流动时的内摩擦力。溶液的粘度取决 于溶质的分子质量、分子结构、形态及其在溶液 中的扩张程度。
纤维素分子进入溶剂时，引起液体粘度的变化，对于 这种粘度的量度，一般采用以下几种表示方法：
(1)相对粘度ŋr 表示在同温度下溶液的粘度(ŋ)与纯溶剂粘度(ŋ0)之 比。无因次量。 (2)增比粘度ŋsp
nM 分子的总质量 ＝ N M 分子的总个数 n
i i i i i i i
i
数均聚合度
Mn Pn Ni Pi 162 i
2、质均相对分子质量
Mw
按质量统计的平均相对分子质量。光散射法测定。
Mw
wM ＝ W M w
i i i i i i i
i
第一节 纤维素的化学与物理结构 第二节 纤维素的相对分子质量和聚合 度 第三节 纤维素的物理及物理化学性质 第四节 纤维素的化学反应
纤维素是自然界中最古老、最丰富 的天然高分子，是重要的生物可降解性 和可再生的生物质资源之一。 定义：在常温下不溶于水、稀酸和 稀碱的D-葡萄糖基以β-1，4-苷键联接起 来的链状高分子化合物。
聚集态结构（二次结构）：超分子结构，处于平衡态 时纤维素大分子链相互间的几乎排列特征，包括晶 体结构（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、微晶的大小）和取向结构 （分子链和微晶的取向）。 形态结构（三次结构）：比超分子结构更大一些，光 学显微镜下可见。如多重细纤维结构，纤维断面的 形状、结构和组成。
c0
sp
c
粘度与相对分子质量之间的关系：
－分子质量： 162 －纤维素分子链的分子式： C6H11O5-(C6H10O5)n-2- C6H11O5 －聚合度：n
纤维素分子为极长的链分子，属线型高分子化 合物。
M r /162 n
2）纤维素大分子的葡萄糖基间的联接都是β － 苷键联接
由于苷键的存在，使纤维素大分子对水解作 用的稳定性降低。在酸或高温下与水作用，可使 苷键破裂，纤维素大分子降解。 在酸中：β -苷键水解速度比α -苷键小。
3、粘均相对分子质量 M
用溶液粘度法测得的相对分子质量。
α=0.5~1（高分子稀溶液特性粘度）
M n M M w
三、纤维素的相对分子质量和聚合பைடு நூலகம்的测定方法
（一） （二） （三） （四） （五） （六） 沸点升高和冰点降低法 蒸气压下降法 渗透压法 光散射法 超速离心法 粘度法
原理上都是将下纤维素物料溶解于纤维素的 溶剂中，以所形成的纤维素溶液来进行测定。
氢键对纤维素性质的影响
1）对吸湿性的影响 氢键的形成，使纤维及纸页的吸湿性降低。 2）对溶解度的影响 分子间氢键破坏程度大的溶解度大。 干燥过的纤维素的溶解度小于未经干燥的纤 维素的溶解度。 3）对反应能力的影响 氢键的形成阻碍反应的进行。
氢键存在对纸浆和纸张的性能有重要影响
纸的强度决定于纤维本身的强度和纤维间的结合
链结构
近程结构（第一层次结构）：指单个分子内一个或 几个结构单元的化学结构和立体化学结构。 远程结构（第二层次结构）：指单个分子的大小与 形态、链的柔顺性和在空间所存在的各种形状（构 象）。
一、 纤维素的化学结构（近程结构）
组成纤维素的基本结构单元是什么？结构单 元间如何联接的？
1）纤维素大分子的基本结构单元是D－吡喃式葡萄 糖基（即失水葡萄糖）。 2）纤维素大分子的葡萄糖基间的联接都是β-苷键联 接。 3）纤维素大分子每个基环均具有3个醇羟基。 4）纤维素大分子的两个末端基，一个具有还原性， 另一个是非还原性的。整体呈极性。
氢键的特点： 氢键具有方向性； 氢键具有饱和性。 键长较小 0.3nm以内 键能较小 20.9~33.5kJ/mol
结晶区和无定形区氢键的区别
结晶区：所有羟基均形成氢键，因此结晶区分子间的 结合力强，即氢键结合力强，水分子不易进入，形成 永久结合点。 （无游离羟基） 无定形区：只有部分羟基形成氢键，另一部分羟基呈 游离状况，结合力较弱，氢键始终处于结合→破裂→ 再结合的过程中，水分子进入无定形区与纤维素形成 氢键水桥，产生润胀作用，形成暂时结合点。 （存在部分游离羟基）
r 0
表示相对于纯溶剂来讲，溶液粘度增加的分数。无 因次量。
0 sp r 1 0
（3）比浓粘度ŋsp／c 表示增比粘度与浓度之比。因次为浓度倒数。 （4）特性粘度[ŋ] 表示溶液无限稀释，即溶液浓度趋于零时，比浓粘 度值。因次同比浓粘度。
lim
纤维素分子链取向良 好 密度较大 分子间的结合力最强 结晶区对强度的贡献 大。
纤维素分子链取向较差 分子排列无秩序，分子 间距离较大，密度低， 分子间的氢键结合数量 少，故非结晶区对强度 的贡献小。
（二）纤维素的结晶度及可及度
1. 纤维素结晶度
纤维素的结晶度是指纤维素构成的结晶区占纤维素 整体的百分率，它反映纤维素聚集时形成结晶的程 度。
强度。
打浆过程促使纤维的细纤维化，使表面暴露出更
多的羟基，当纤维纸浆在纸机上成纸经过干燥后，
纤维之间形成氢键而使结合力增加，导致纸页具 有强度。
第二节 纤维素的相对分子质量 和聚合度
什么是纤维素的聚合度？
纤维素聚合度（DP）：纤维素大分子链中D－ 葡萄糖基的数目。
纤维素聚合度表征纤维素分子链的长短，聚合 度上升时，纤维素强度加大。
O O
HO
O O
OH
纤维素大分子的构象如图所示,其葡萄糖单元成椅式 扭转,每个单元上C2位羟基、 C3位羟基和C6位取代基均 处于水平位置。
三、纤维素大分子聚集态结构（二次结构）
（一）纤维素的结晶结构
纤维素的聚集状态，可以理解成一种由结 晶区和无定形区交错结合的体系，从结晶区到无 定形区是逐步过度的，无明显界限。 一个纤维素分子链可以经过若干结晶区和无 定形区。
每一个结晶区称为微晶体。
结晶区：纤维素大分子的聚集， 一部分的分子排列比较整齐、有 规则，呈现清晰的X－射线图； 无定形区：另一部分的分子链排 列不整齐、较松弛， 但其取向 大致与纤维主轴平行。
L为微晶体的长度，纤维素主链通 过一个以上的微晶体
结晶区和非结晶区的特点 结晶区:
非结晶区:
纤维素结构：指纤维素不同尺度结构单 元在空间的相对排列，包括高分子的链 结构、聚集态结构和形态结构。 近程结构 （一级） 一次结构：链结构 远程结构 （二级）
纤维素结构
二次结构：聚集态结构
三次结构：形态结构
链结构（一次结构）：表明一个分子链中原子或基因 的几何排列情况。其中又包括尺度不同的两类结构。
1）纤维素大分子的基本结构单元是D－吡 喃式葡萄糖基（即失水葡萄糖）
CHO CH2OH
O
H
C OH
CH2OH
HO C H
H C OH H C OH CH2OH
开链式结构
O
OH
HO OH
OH OH
HO OH
OH
β -D-葡萄糖
α -D-葡萄糖
α -D-葡萄糖、β -D-葡萄糖
－基环分子式：C6H10O5
结晶度/可及度测定方法
结晶度：X射线衍射法、红外光谱法
可及度：水解法、重水交换法、甲酰化法、吸碘 吸溴法等。这些方法实际也可用来测纤维素物料 的结晶度。
对于同一纤维物料，用不同方法测得的结晶度不同， 差别较大，所以指出某一结晶度时，必须具体说明测定 方法，如：X-射线结晶度、密度结晶度等。 下式为用不同方法测得纤维素结晶度的比较。
一、概述
纤维素的相对分子质量M和聚合度DP
相对分子质量M和聚合度DP之间的关系为： C6H11O6—(C6H10O5)n-2—C6H11O5 M＝162×n＋18
DP很大时，上式中18可以忽略不计！ M＝162×n 或 n=M/162
纤维素的强度与聚合度的关系
不同原料纤维素的聚合度
天然棉纤维素大约由15300个葡萄糖基组成； 木材纤维素的聚合度大约8000～10000个；
方法 密度法 X-射线法 水解法 甲酰法 重水交换法 棉花纤维素的结晶度（%） 60 80 93 87 56
结晶度与纤维性能的关系
纤维结晶度升高，则：
1）纤维的吸湿性下降； 2）纤维润胀程度下降； 3）纤维伸长率下降； 4）纤维的抗张强度上升。
纤维素的细纤维结构
纤维结构可简述如下： 纤维素分子链 原细纤维 微细纤维 细纤维 光学显微镜只能观察到细纤维（3000-5000Å） 电子显微镜可以看到脱木素后的微细纤维 （120-150Å)、原细纤维（30-35Å）。
二、纤维素大分子的构象（二级结构）
构型：指分子中的基团或原子团化学键所固定的空间 几何排列，这种排列是稳定的，要改变构型必须经过 化学键的断裂。 构象：一定构型的分子，在其键允许的范围内，原子 或原子团旋转或相互扭转时，能以不同的空间排布存 在，这种空间排布称为构象。可以理解为由于各基团 围绕单键内旋转而形成聚合物链的不同形态。
3）纤维素大分子每个基环均具有3个醇羟基
三个醇羟基，分别位于2、3、6位，其中C2、C3
为仲醇羟基，而在C6为伯醇羟基。
4）纤维素大分子的两个末端基，一个具有还原 性，另一个是非还原性的
纤维素分子链一端的葡萄糖基第一个碳原子上存在 一个苷羟基，当葡萄糖环结构变成开链式时，此羟基即 变为醛基而具有还原性，故苷羟基具有潜在的还原性， 又有隐性醛基之称。
粘度法测相对分子质量
目前我国对浆粕纤维素分子量测定的标准方法， 引用了北欧标准，采用粘度法测定。 粘度是液体流动时的内摩擦力。溶液的粘度取决 于溶质的分子质量、分子结构、形态及其在溶液 中的扩张程度。
纤维素分子进入溶剂时，引起液体粘度的变化，对于 这种粘度的量度，一般采用以下几种表示方法：
(1)相对粘度ŋr 表示在同温度下溶液的粘度(ŋ)与纯溶剂粘度(ŋ0)之 比。无因次量。 (2)增比粘度ŋsp
nM 分子的总质量 ＝ N M 分子的总个数 n
i i i i i i i
i
数均聚合度
Mn Pn Ni Pi 162 i
2、质均相对分子质量
Mw
按质量统计的平均相对分子质量。光散射法测定。
Mw
wM ＝ W M w
i i i i i i i
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