木材的物理化学性质解析

➢ 3 与木质材料的干燥过程的关系 水分子能够进入纤维素的无定形区而使纤维
素产生吸湿润胀，相反，脱水和收缩是吸湿和润胀 的逆过程。在木质材料的连续干燥过程中伴随着纤 维素氢键的变化。
首先是水分子间的氢键被断裂，因为多层分 子水之间的缔合能量最低。当部分水分子被移出后 纤维素表面彼此相互靠近，该过程直至在两个纤维 素表面间只剩下一个单层分子水。
42+2 半纤维素
木素
45+2 27+2 28+3
30+2 20+4
一 木材中的有机物
➢ 1 芳组（酚）化合物(phenolic substance)： 主要 单宁、黄酮类
➢ 2 萜烯化合物(terpen)：由两个或多个异戊间二烯单 元合成的单、倍半、二、三、四和多萜烯等化合物。
➢ 3 脂肪酸（aliphatic acid):饱和和未饱和高级脂肪酸
木
高分子物质
多糖
木素
纤维素 半纤维素
材
低分子物质 有机物 无机物
抽提物
灰分
➢ 1 纤维素(cellulose)：木材的主要成分，骨架作用
➢ 2 半纤维素(hemicellulose)：与纤维素紧密相连，黏 结作用
➢ 3 木素(lignin)：贯穿着纤维，强化细胞壁作用
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－高分子物 质 针叶材（%） 阔叶材（%） 纤维素
浸提出纤维素。
首先由脱木素剂从木材中除去木素，剩下全纤维
素。用碱的水溶液从全纤维素中除去半纤维素即可得到 纤维素。但是，这种纤维素因脱木素剂和碱的作用而被 降解。
用使木材膨润而且不发生降解的酸混合水溶液能够直 接把大部分木材进行硝化(nitration)。用这种方法可以 得到未降解的获得量能定量的硝化纤维素。
➢ 纤维素最重要的化学反应主要在于其具有OH-基和 -O-键。由OH-基呈现醇性反应，由-O-键产生水 解。
➢ 纤维素既不溶于冷水，又不溶于热水。此外，也不 溶于醇、苯、乙醚等中性有机溶剂，也几乎不溶于 酸和碱的常温稀水溶液中。
➢ （一 ）纤维素的氢键（木材学p89） ➢ 1 与木材结构和性能的关系
纤维素Ⅰ经过处理可以形成许多变体，目前已知的 有纤维素Ⅱ、纤维素Ⅲ、纤维素Ⅳ和纤维素Ⅴ等 五种变体。
➢ （三） 纤维素的结晶度
结晶度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ指结晶区在纤维素整体中所占的百
分率。结晶度增加，木材或纤维的抗拉强度、弹性 模量、硬度及尺寸的稳定性均随之增大，而吸湿性、 染料的吸着度、润胀度、柔顺性及化学反应性均随 之减小。
➢ （一）纤维素的吸湿性
➢ 1 吸湿机理（木材学91）：纤维素无定形区分子 链上的羟基，部分形成氢键，部分处于游离状态。 游离的羟基为极性基团，易于吸附极性的水分子， 与其形成氢键结合，这就是纤维素具有吸湿性的内 在原因。
➢ 4 纤维素的化学结构特点(木材学p88) ➢ 1）仅由一种葡萄基组成，以1-4B甙键联结 ➢ 2）重复单元是纤维素二糖基长度为1.03nm ➢ 3）有三个游离羟基 ➢ 4）纤维素分子具有极性和方向性 ➢ 5）有还原性末端基
➢ 纤维素的基本性质
➢ 纤维素是无色透明的，结晶纤维素的比重为1.6，木 材内的纤维素的比重为1.55；0oC时比热为0.290， 20oC时为0.346，呈双折射；在紫外线下放出荧光； 若受热，在150oC时开始分解，约于350oC时起火； 有吸湿性，在温度为20oC空气相对温度为60%的条 件下吸着6～12%的水分。
➢ 2 与纤维素有关的几个名词(木材加工化学P19) ➢ 1）综纤维素（holocellulose）
综纤维素是指植物纤维原料中除去木素后，所残 留的全部碳水化合物，即纤维素和半纤维素的总和。
➢ 2）a-纤维素、B-纤维素和r-纤维素 在制浆工业中，用浓度17.5%的NaOH（或24%的
KOH）溶液，在温度20oC条件下处理漂白浆，非纤维 素的碳水化合物大部分溶出，不溶解的部分称为化学浆 的a-纤维素。
所得溶液，用醋酸中和后其中沉淀出来的部分称 为B-纤维素，未沉淀的部分称为r-纤维素。a-、B-和 r-纤维素为纯技术上的名称和概念，都不是均一性的物 质，而是聚合度不同的多分散性的化合物。
➢ 3 纤维素的分子结构（木材学P87）
纤维素是由许多吡喃型D－葡萄糖基、在1→4位 置上彼此以β－甙键联结而成的线型高聚物。纤维素的 元素组成：C=44.4%，H=6.17%，O=49.39%，化学 实验式为(C6H10O5)n(n为聚合度，一般测得高等植物纤 维素的聚合度为7,000～15,000)
一 木材中的有机物
➢ 4 醇(alcohol)：脂肪族醇 ➢ 5 微量元素：维生素B1或硫胺素，木腐菌生长的必须
物质
二 木材中的无机物质(inorganicconstituent)：灰分, 温带木材一般为0.3—0.5%，少数木材，特别热带木 材具有1-5%
一 纤维素的分子结构
➢ 1 从木材中分离纤维素（木材应用基础P53） 因为木材明显地木质化，所以不可能用溶剂直接
最后，使水—OH和纤维素—OH之间的氢键 破裂，而在纤维素表面间形成了新的氢键结合。
➢ （二） 纤维素的结晶结构（木材学89） ➢ 1 纤维素的结晶区和无定形区
在结晶区，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一定的结晶格 子，呈现清晰的X—射线衍射图。
在无定形区，纤维素分子链的排列不呈定向有序，
规则性不强，不构成结晶格子，但也不象液体那样完 全无序，只是排列不整齐，结合松散而已。
➢ 2 纤维素的结晶结构 天然纤维素称为纤维素Ⅰ，其结构属于单斜
晶系，单位晶胞在各个方向重复延展形成结晶区。
许多研究证明，纤维素晶体属单斜晶系和斜 方晶系。因此，纤维素是同质多晶的高分子化合 物，其结晶结构的差异，会影响到纤维素性质的 变化。
在细胞壁上形成氢键可以导致纹孔闭塞，影
响水分或处理药剂的传导；在纤维素分子之间形成 的氢键，集中在一定的区域内可以构成纤维素的结 晶区。
➢ 2 与纤维板加工工艺的关系
氢键结合是湿法纤维板的主要成板理论。氢
键结合理论认为，松散的纤维之所以能结合成板是 由于纤维间形成氢键的缘故。当纤维中的羟基彼此 缩小到极小的距离(<0.275nm)时，便可形成氢键， 使纤维板结构密实，具有较高的力学强度。