木材学(6.4.5)--木材化学

第1章木材的化学性质

重点介绍了木材三大成分——木质素、纤维素、半纤维素的结构、物理性质和化学性质。并简要介绍了多种存在于木材中的抽提物。另外简述了木材的酸碱性质。

1.1木材的化学组成

无机物（灰分）

少量组分

有机物（芳香族、萜烯类、脂肪族化合物）

木材 纤维素

（水解单糖——D-葡萄糖）

碳水化合物 半纤维素

（水解单糖 —— D-葡萄糖 、D-半乳糖、

主要组分 D-甘露糖、D-木糖、L-阿拉伯糖）

木质素

1.1.1木材的主要化学成分

木材的主要化学成分是构成木材细胞壁和胞间层的物质，由纤维素、半纤维素和木

质素三种高分子化合物组成，一般总量占木材的90％以上，热带木材中高聚物含

量略低，在高聚物中纤维素和半纤维素组成的多糖含量居多，占木材的65％～

75％。

纤维素在细胞壁中为骨架物质；半纤维素是无定形物质，分布在微纤维之中，称

为填充物质；木质素是结壳物质。

1.1.2木材的少量化学成分

木材的少量化学成分是一组不构成细胞壁、胞间层的游离的低分子化合物，可被极

性和非极性有机溶剂、水蒸气、和水提取，所以称为抽提物或浸出物。

木材抽提物包括的化学成分组成复杂，主要包括以下几类化合物。

a.脂肪族化合物：包括饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸、脂肪、蜡、低聚糖、果胶质、淀粉、

蛋白质。

b.萜烯及萜烯类化合物：包括单萜（松节油等）、倍半萜、树脂酸等

c.芳香族化合物：包括黄酮类化合物、单宁等。

1.1.3树木的化学组成

1.1.3.1木质部的化学组成

树种与产地：由于树种不同，木材的化学组成有很大区别，如针叶树材与阔叶树材。同一种树木，产地和生长环境不同，化学组成也有差异。

边材与心材：在针叶树材中，心材比边材含有较多的有机溶剂抽提物、较少的木质素和纤维素。

早材与晚材：由于晚材管胞的细胞壁厚度大于早材的细胞壁，并且晚材胞间层占的比

例较少，细胞壁成分的大多数为纤维素，胞间层物质大多数为木质素，所以，晚材比早材常含有较高的纤维素与较低的木质素。

1.1.3.2树干与树枝化学组成的区别

树干与树枝化学组成差别较大，不论是针叶树材还是阔叶树材，树枝的纤维素含

量较少，木质素含量较多，聚戊糖、聚甘露糖较少，热水抽提物含量较多。

1.1.3.3树皮的化学组成

树皮约占全树的10％，树皮可以分为外皮和内皮（韧皮），其化学组成也有不同。

一些树木的树皮的化学组成分析见。

树皮化学组成的特点是灰分多，热水抽提物含量高，纤维素与聚戊糖含量则较少。

1.2木质素

1.2.1概述

1.2.1.1木质素的存在

木材中出去纤维素、半纤维素和抽提物后，剩余的细胞壁物质为木质素，木质素是针叶树材、阔叶树材和草类植物的基本化学组成之一。

木质素主要存在于木质化植物的细胞壁中，强化植物组织，其化学结构是苯丙烷类结

构单元组成的复杂多酚类高分子化合物，含有多种活性官能团。

木质素一般可以分三种：阔叶树木质素、针叶树木质素和草类木质素。

1.2.1.2木质素的分布

木质素在木材中的分布不均匀，一般采集部位越高，木质素含量越低。木质素在植

物结构中的分布是有一定规律的，胞间层的木质素浓度最高，细胞内部浓度则减

小，次生壁内层又增高。

1.2.2木质素的分离

在植物体内的木质素与分离后的木质素，在结构上是有差别的，而且分离方法不

同，其结构也有变化，因此将未分离的木质素称作原本木质素。

木质素的分离方法，按其基本原理可分为两类：一类是将植物中木质素以外的成

分融解除去，木质素作为不溶性成分被过滤分离出来；另一类是将木质素作为可

溶性成分溶解，纤维素等其他成分不溶解进行分离。

1.2.2.1木质素作为不溶残渣而分离的方法

这类方法是将木材中的多糖类物质溶出，所得木质素是不溶木质素。此类分离方法

得原理是木材得纤维素和半纤维素得酸水解、氧化降解或络合溶解，木质素作为水

解残渣被分离。

1.2.2.2木质素被溶出而分离得方法

此类方法可采用有机溶剂合无机溶剂进行。主要有乙醇、醋酸、二氧六环和酚等有机

溶剂在酸性条件下分离木质素；用氢氧化钠、硫化钠、亚硫化钠等无机溶剂分离木

质素。此类分离方法得典型例子是造纸得制浆过程。

1.2.3木质素得结构

木质素是非常复杂得天然聚合物，其化学结构与纤维素和蛋白质相比，缺少重复单元间得规律性和有序性。

1.2.3.1木质素得元素组成

木质素得基本结构单元是苯丙烷，苯环上具有甲氧基。因此，表示元素分析结果以

构成苯丙烷结构单元的碳架C6-C3（即C9）作为基本得单位来表示。

1.2.3.2结构单元

苯丙烷作为木质素的主体结构单元，共有三种基本结构，即紫丁香基结构和对羟

基结构。

针叶树木质素以愈疮木基结构单元，紫丁香基结构单元和对羟基结构单元极少。阔

叶树木质素以和愈疮木基结构单元为主，含有少量的对羟基结构单元，草类木质

素与阔叶树木质素的结构单元组成相似。

结构单元之间的连接方式主要是醚键，约占2/3~3/4,还有碳键约占1/4~1/3。

1.2.3.3官能团

木质素结构中有复杂的官能团，其分布与树种有关，也与提取分离方法有关。

a. 甲氧基

b. 羟基

c. 羰基

d. 羧基

木质素中存在着不同的侧链结构，有醚键和酯键。

1.2.3.4木质素与糖类连接

在植物体内，木质素总是与纤维素及半纤维素共存的，甚至还有一些寡糖存在，其共存方式影响组分分离和材料利用。长期研究表明，木质素的部分结构单元与半纤维素中的某些糖基通过化学键连接在一起，形成木质素－糖类复合体，称为LCC 符合体。

1.2.3.5木质素的结构模型

木质素是聚酚类的三纬网状高分子化合物，不同于蛋白质、多糖和核酸等天然高分子，后者的有规则结构可用化学式来表示，而木质素只能用结构模型来表达，这种结构模型所描述的也只是木质素大分子切出的可代表平均分子的一部分或一种假定结构。

1.2.4木质素的物理性质

1.2.4.1一般物理性质

（1）颜色：原本木质素是一种白色或接近无色的物质，我们所见到木

质素的颜色是在分离、制备过程中造成的。

（2）相对密度：木质素的相对密度大约在1.35～1.50之间。

（3）光学性质：木质素结构中没有不对称碳，所以没有光学活性，云

杉铜氨木质素的折光率为1.61，表明木质素的芳香族性质。

（4）燃烧热：木质素的燃烧热值是比较高的。

（5）溶解度：木质素是一种聚集体，结构中存在许多极性基团，尤其

是较多的羟基，造成了很强的分子内和分子间的氢键，因此原本

木质素是不溶于任何溶剂的。

分离木质素因发生了缩合或降解，许多物理性质改变了，溶解性质也随之改变，从而有可溶性木质素和不溶性木质素之分。

1.2.4.2热性质

除了酸木质素和铜氨木素外，原本木质素和大多数分离木质素是一种热塑性高分子物质，无确定的熔点，具有玻璃态转化温度（Tg）或转化点，而且较高。

聚合物的玻璃态转化温度（Tg）是玻璃态和高弹态之间的转变。温度低于Tg时为玻璃态，温度在Tg至T f 为高弹态，温度高于T f 时为黏流态。当温度低于玻璃态转化温度（Tg）时分子的能量很低，链段运动被冻结为玻璃态固体，即链段运动的松弛时间远远大于力作用时间，以致测量不出链段运动所表现出的形变。随着温度升高，高分子热运动能量和自由体积逐渐增加。当温度达到玻璃态转化温度（Tg）时，分子链段运动加速，此时链段运动的松弛时间与观察时间相当，形变速度，即出现无定形高聚物力学状态的玻璃态转化区。当温度高于T f 时，转变为黏流态，高聚物像黏流体一样，产生黏性流动。

木质素的玻璃态转化温度（Tg）降低，可使木材的软化温度降低。木材的软化温度对于木材的热磨纤维分离、木材弯曲形变和人造板胶合均有重要影响。

1.2.4.3木质素的相对分子质量及其分布

在分离过程中的影响因素有：a.木质素分离过程的多样性；b. 木质素的降解；c.木