木材的化学性质

非还原性端基 纤维二糖基本单元
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脱水葡萄糖 还原性端基 单元
5.3.2 纤维素的聚合度
定 义 是指高分子中所含 的链节的数目 纤维素分子中葡萄 糖基的数目
聚 合 度 (n)
纤维素分子 的聚合度
纤维素分子量=聚合度 ×葡萄糖基的分子量
意
义
聚合度是纤维的重要物理常数之一，直接关系到纤 维的物理、力学及化学性质 聚合度↑→大分子长度↑→强度↑→溶解度和反应 能力↓ n<200 纤维素强度丧失; 200<n<700 强度随着n的提高而增加 n>700 强度与聚合度关系不明显
木质素的分布 木质素的分离 方法
木质素的结构
木质素的元素组 成
5.2.1. 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， 即愈疮木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构。
C C C C C C C C C
OCH3 OH
愈疮木基丙烷 （G ）
H3CO
OCH3 OH
紫丁香基丙烷 （S ）
OH
5.5 木材的酸碱性质
与木材加工的关系 磨光作用 对渗透的影响 对吸湿性、体积稳定 性、木材干燥的影响 对加工的影响 与工人身体健康 对木材表面耐候的影 响 木材的酸碱性质
定义：一般泛指木材中 水溶性物质的酸性或碱 性的程度，通常以木粉 的水抽提物的pH值表示
定义：是指木材中除构成 细胞壁的纤维素、半纤维 素、木素之外、经中性溶 剂或用稀碱稀酸溶液抽提 出来的物质的总称
两种或两种以上的糖基构成 支链型，主要是线型的但带 有各种短侧链（多聚糖） 一般无结晶区 颇低仅含150-200个糖基
结构型 （分子形态） 物理结构
聚合度
在细胞壁中
的作用 吸湿性和 润胀度
骨架物质
基本物质
一般为无定形物质，水分 子容易进入，故吸湿性和 润胀度比纤维素高。
吸附水只能进入无定形 区，结晶区对润胀有限 制作用
5.3.1 纤维素的化学结构
纤维素是由环式吡喃型D—葡萄糖基在1-4位置 通过β—甙键联结而成的链状高分子化合物 抗拉强度大，对木材的物理、力学性质影响很 大。纤维素既不溶于冷水，也不溶于热水
右图
纤维素的结构式
结构特点：
结构单元是D-葡萄糖基，相邻的葡萄糖基扭转180°； 葡萄糖基包含三个醇羟基，分别位于2、3、6三个碳原子上； 三个羟基中有一个为伯醇基，二个为仲醇基； 葡萄糖基为环状结构； 葡萄糖基为陆环的吡喃式糖，为六节环，包含1－5连结的氧桥； 每个葡萄糖基的连结为1，4－β－甙键连结； 纤维素大分子中的D－葡萄糖基为β型。
amorphous region 纤维素分子链的排列不 呈定向有序、规则性不 强，不形成晶格，排列 不整齐结合松散。 结晶区与非结构晶区之 间无明显的分界线，是 逐渐过渡的。
纤维素的结晶区和无定形区模型
5.3.4 纤维素的物理性质
吸湿adsorption 解吸desorption 吸水 吸湿机理
各向 异性
与木材加工的关系 木材的病腐性 木材对金属的腐蚀 对木材胶合的影响
木材的抽提物
1.纤维素、半纤维素和木质素， 木材抽提物的定义，它们个有哪 些性质？ 2.比较半纤维素与纤维素的差异 3.木质素与木材物理性质及木材 彩色的关系？ 4.木材的酸碱性质、木材的表面 性质怎样？ 5.抽提物对木材物理性质和加工 的影响。
为什么木材吸湿后的曲 线是“S”型？
吸湿性（adsorptive nature） 吸湿（adsorption）- 吸蒸水汽 解吸（desorption）- 蒸发水汽 吸水——直接吸收水分 吸湿机理：纤维素在无定形区 （非结晶区）分子链的游离态羟 基为极性基团，易于吸附极性水 分子，与其形成氢键结合，这是 纤维素具有吸湿性的内在原因。
糖基种类（分子结构） 结构型（分子形态） 半 纤 维 素 hemicellulose 物理结构 与纤维素cellulose的比较 聚合度 在细胞壁中的作用 见左侧 吸湿性和润胀度
纤维素和半纤维素的不同点
纤
糖基种类 （分子结构）
维
素
半
纤
维
素
单糖基构成的高聚物 典型的线型高聚糖无侧链 由结晶区和无定形区交 错联接而成的二相体系 很高，平均7000～15000
纤维素热解不仅引 起分子链断裂，还 有脱水、氧化等反 应发生
波长愈短，光强度愈 大，对纤维素的降解 作用也愈大。光对纤 维素的降解作用有两 种类型
5.4 半纤维素（Hemicellulose）
定义
由两种或两种以上的糖基所 组成分子量较小的高分子化 合物，其结构型为支链型， 常带有各种短侧链 分布模式 ①围绕纤维轴成同心薄 层状态集聚，常与非结 晶态的纤维素交织②分 散分布。半纤维素一般 为非结晶状态
一般认为木质素中 是不存在羧基的， 但在磨木木质素中 存在0.010.02/OCH3
羧基
5.2.3
木质素的物理性质
一般物理性质和热性质
颜色 原本木质素是一种白
色或接近无色的物质
相对密度 木质素的相对密
度大约在1.35～1.50之间
热性质
除了酸木质素和铜胺木质素外， 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
5.3.5
纤维素的主要化学性质
用乙酰剂（冰醋 酸和乙酐）作用 下，羟基全部或 部分被封闭
酯化作用
乙酰化 作用
机械降解
生物降解
纤维素分子上 羟基中的氢为 酸根所取代即 生成酯
水解作用
氧化作用
热解
光降解
在酸的作用下发生水解 ，最初得到水解纤维素 ，最后得到葡萄糖，经 发酵可制得酒精，国外 正开展酶水解的研究
吸湿性
色泽
轴向与横向 的结合力不 同、弹性模 量不同
木材物理
电学 性质 光学 性质
比重
性质
热学 性质
这一性质可用于测纤 维饱和点以下的含水 率；介电性质通常与 非结晶区的羟基数目 密切相关
收缩 膨胀
比热c=0.32～ 0.33；沿轴向 的热传导率高 于横向
5.3.4.1 纤维素的晶胞（crystal cell）和结 晶结构（crystalline texture）
半纤维素 （水解单糖—D-葡萄糖、D-半乳糖、 D-甘露糖、D-木糖、L-阿拉伯糖）
细胞壁 主要组分
木质素 图5-1
木材的化学组成
5.1.1 木材的主要化学成分
天然的高分子聚合物 是由苯基丙烷结构单元 通过醚键和碳-碳键联 接而成、具有三维结构 的芳香族高分子化合物
木材
木质素－结壳物质
半纤维素－填充物质
光学性质 木质素结构中没
有不对称碳，所以没有光学活 性
燃烧热 木质素的燃烧热值
比较高
溶解度 缩合或降解产生溶
性木质素和不溶性木质素之分
5.2.4 木素的化学反应简述
碱 作 用
用碱法蒸煮木材脱 木素，生成碱木素 可作作乳化稳定剂
木 素 的 氯 化
生产中用氯化 法生产纸浆和 氯化漂白纸浆
木 素 的 溴 化
两种或两种以上单 糖组成的不均一聚 糖，分子量较低， 聚合度小，大多带 有支链
纤维素－微骨架结构
针叶树材和阔叶树材中纤维素、半纤维素和木 质素的含量见表:
主要成分 纤维素 半纤维素 木质素 针叶树材(%) 42±2 27±2 28±3 阔叶树材(%) 45±2 30±5 20±4
1
4
2
3
细胞壁中三大主成分 结合的层状模型
与纤维强度 的关系
5.3.3 纤维素物理结构
纤 维 素 的 物 理 结 构 分子间力 定 氢键力 （hydrogen bond） 义 当氢原子以主价健与电负性很强的 原子结合后再以负价键与另一电负 性很强的原子相结合所形成的键
形成条件
存在大量羟基（hydroxyl）,相
邻大分子中的羟基距离在0.3nm以 下 湿法纤维板（wetting method fiber-board）成 板理论 木材力学强度之所以在纤 维饱和点以下随水分减少 而增大，纤维素大分子之 间形成的氢键是主要原因 之一 木材干燥过程
对羟苯基丙烷 （H ）
5.2.2 官能团
针叶树材木质素中 含13%~16%：阔叶 树材木质素中含 17%~23%阔叶树材 木质素中甲氧基含 量高于针叶树材 木质素中酚羟基 是一个十分重要的 结构参数,它直接影 响木质素的化学性 质和物理性质 羟基
甲氧基
羰基
木质素结构中存在 约6种羰基，其定 量通常用盐酸羟胺 法，与芳香环共轭 的羰基，可用紫外 光谱法定量测定
氢键与木材加工 工艺的关系密切
纤维素分子链中的氢键
纤维素大分子的排列——两相体系理论
结晶度 crystallinity 用X-射线衍 射的方法 crystalline region 纤维素分子链的排 列定向有序具有完 全的规整性，靠侧 面的氢键缔合构成 的晶格，呈清晰的 x-射线衍射图，结 晶区长度为600A左 右
在结晶区中纤维素的结晶结构的单位是晶胞，是纤维素的基本单元。 晶胞为平行六面体的单斜晶系，晶胞的大小为：三个轴的长度： b=1.03nm a=0.835nm c=0.79nm a 轴与c轴之间的夹角β=84°。晶胞体 积：V=a· b· c· cos84°=675.7· 10-24cm3
结合力方式： b轴——主价键力 a轴——氢键力 c轴——范德华力 由于三个轴方向的联接 键不同，因此，纤维素的弹 性模量和力学强度沿各轴方 向也不同，这是木材各向异 性的基本成因
木材科学与技术国家重点学科 湖南省精品课程
木材学
课程负责人 吴义强 教授
第五章
木材的化学性质
1 2 3 4
木材的化学组成
木质素 纤维素 半纤维素 木材的酸碱性质
5
5.1 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 碳水化合物
纤维素 （水解单糖—D-葡萄糖）
木
木素的溴化作用 是木材溴化滞火 处理的理论基础
材
木 素 的 氧 化
这些反应是生 产工艺的基础 ，与木材加工 有密切关系
木素与氧发生化学 反应，形成发色团 使木材材色变深
乙 酰 化
木素大分子上有 羟基可用乙酰化 进行改性处理
加
工
木 素 脱 除
木材制浆也就是 木素脱除，生产 用酸法和碱法
5.3 纤维素 （Cellulose）
6
1.中间薄层 2.初生壁 3.原生质膜 5 4.果胶 5.纤维素 6.半纤维素
5.1.2 木材的抽提物
抽提物
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、水蒸汽或水提取，约占绝干木材的2%-5%
脂肪族化合物
芳香族化合物 其它物质
萜烯及萜烯 类化合物
5.2 木质素
木质素的存在 木质素主要存在于木质化植物的 细胞壁中 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将木质素作为不溶性成分被过滤分离 出来 ②将木质素作为可溶性成分溶解，其他 成分不溶解进行分离 木质素是非常复杂的天然聚合物，其化学 结构与纤维素和蛋白质相比，缺少重复单 元间的规律性和有序性 苯丙烷作为木质素的主体结构单元，共有 三种基本结构，即愈疮木基结构、紫丁香 基结构和对羟苯基结构