木材的化学性质

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(6)强化处理:注入未缩聚或初缩聚的极性分 子使形成树脂,以增加密度,提高密度,减 少吸湿性。
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4.3 木材半纤维素
4.3.1 半纤维素的成分与结构
1.半纤维素的定义 :
是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,常带有各种短的侧 链。仅含有150-200个半纤维素糖基。
6.碳水化合物 :主要有糖类、淀粉类和果胶类 等。
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4.5.2 抽提物的理化性质
1.抽提物的颜色与气味 (1)抽提物与木材颜色:材色除与木素有关外,
还与抽提物有关,树种不同、材色各异。 (2)抽提物与木材气味:木材中的气味多来自
木材的抽提物。例如: ①香味:檀香木,降香黄檀,花梨木。 ②樟脑味:樟木。 ③酸臭味:红酸枝,爪哇吉贝,香榧。
⑤葡萄糖基为氧环式结构。
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4.2.2 纤维素的物理结构
1.氢键:
当氢原子以主价健与电负性很强的原子结合后再以 付价键与另一电负性很强的原子相结合所形成的键。 纤维素大分子链之间氢键形成的条件: ①羟基存在是先决条件 ②相邻大分子中的羟基距离,在0.3nm以下,超过 0.3nm只有范德华力,没有氢键。 氢键的键能:20~33kJ/mol 范德华力键能:8~12kJ/mol C-O-C主键力:335~377kJ/mol
2.微量元素:
S、P、K、Ca、Mg、Fe、 Mn、Zn、Cu、Mo、B
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4.1.2 木材的物质组成
1.无机物质:
统称灰分,占木材重量0.3%~1.7%。 ⑴溶于水:K、Na的碳酸盐,占灰分重10%~ 25%。 ⑵不溶于水:Ca、Mg的碳酸盐,硅酸盐,磷酸 盐,占灰分重75%~90%。
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4.1.2 木材的物质组成
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
对羟苯基丙烷 (H)
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4.4.3 木质素的理化性质
1.木质素与木材的颜色
⑴鉴定木材提炼物:可作为鉴定木材组织中 有无木质素存在的依据。因为材色是由于木 质素中含有发色基及助色基引起的。也是木 材提炼色素,单宁和树脂类等物质的依据。
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4.2.3.2 与木材改性有关的性质
(1)乙酰化作用:利用醋酸酐处理木材,生成醋酸酯, 取代-OH,既提Байду номын сангаас强度又提高稳定性。
(2)酯化作用:纤维素与酸发生反应得到脂类化合 物称之。酯化产品的种类: ①纤维素硝酸酯(硝酸纤维),它是喷漆、照像软 片、火棉等原料。 ②纤维素醋酸酯(醋酸纤维):它是人造丝、塑料 等的原料。 ③黄酸酯(黄酸纤维):它是粘胶丝、玻璃纸等的 原料。
纤维素热解迅速,生成大量的挥发性产物;500℃ 以上时,逐步形成石墨化结构。
3.生物降解:
某些微生物可自木材分解出纤维素和半纤维素, 而保留木素,这类微生物通常称为褐腐菌。
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4.2.3.1 纤维素的降解作用
4.光降解: 光对纤维素的降解作用有两种类型: (1)光解作用:光照对化学键的直接破坏, 与氧的存在无关; (2)光敏作用:由于光敏物质的存在,在 氧及水分同时存在时,才能使纤维素发生 破坏。
2. 针叶树材与阔叶树材的半纤维素::
阔叶树材的半纤维素高聚糖主要有:木糖和葡甘聚 糖。
针叶材的半纤维素高聚糖主要有:①半乳糖基葡萄 糖基甘露聚糖。②阿拉伯糖基-4-氧-甲基-葡萄糖醛酸 基木聚糖,前者约占15-35%,后者约占10-15%。
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3.半纤维素与纤维素的比较
(1)共同点 同属于多聚糖,都是甙键连接,可以 酯化(乙酰化)或醚化;在适当条件 下水解;在碱性条件下降解;均含游 离羟基具有亲水性。
6.木素的乙酰化作用:木质素与纤维素、半纤 维素分子一样具有乙酰化作用。因此木材可 用乙酰化进行改性处理。
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4.4.4 木质素与木材加工相关的性质
1.玻璃化转变特性:热压制板时,当温度加热到 木质素玻璃化转变温度时,木材及木质基材的 界面便会胶结,这是木材无胶胶合成板的重要 理论。
2.塑化作用:木质素在一定温度下变塑,针叶材 170~175oC,阔叶材160~165oC。利用此 性质,通过高温高湿,并对木材热磨而把纤维分 离开来。
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1. 氢键
③氢键键能虽小,其总和非常大,对纤维素和 木材的性质影响很大,尤其对木材的吸湿性、 溶解度影响很大。氢键与木材加工工艺的关 系密切: 湿法纤维板成板理论(一是氢键结合理论, 二是木素结合理论) 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。 干燥过程中,木材水分初期易蒸发,后期不 易蒸发也和水分与木材之间形成的氢键有关。
2.有机物质 :
⑴主要物质:占木材重量97%~99% ①纤维素:属多糖类物质,在细胞壁中为骨架
物质,占木材重量50% ②半纤维素:属多糖类物质,在细胞壁中为粘
结物质,占木材重量20%~30% ③木质素:属芳香族物质,在细胞壁中为结壳
物质,占木材重量15%~35%
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4.1.2 木材的物质组成
⑵少量物质:抽提物,占木材重量1%~3%。 ①单宁: ②色素: ③挥发性油类: ④树脂(胶): ⑤硫胺素:
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(2)不同点
纤维素
半纤维素
①糖基种类:
单糖基构成的高聚物
两种或两种以上的糖基构成
②结构型(分子形态)
典型的线型高聚糖无侧链 支链型,线型的但带短侧链
③物理结构
由结晶区和无定形区交错 一般无结晶区
④聚合度
平均7000~15000
仅含150-200个糖基
⑤在细胞壁中的作用
骨架物质
基本物质
⑥吸湿性和润胀度
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2.抽提物对吸湿性的影响:抽提物经抽提之 后木材吸湿性降低,体积稳定性提高。
3.抽提物对木材表面耐候的影响:抽提物会促 进木材表面光降解程度。
4.抽提物对加工的影响: (1)对刀具影响:磨损、腐蚀、夹锯。 (2)会使胶合性能变差。 (3)抽提物会使漆膜变色,油漆早期变坏。 (4) 抽提物对工人身体健康的影响:过敏反
3.缩合作用:木质素能与甲醛缩合成酚醛聚合物, 再经高温高压使之形成酚醛树脂。并使纤维 板有较高的防水性能及强度。
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4.5 木材的抽提物
4.5.1 抽提物的种类与化学成分
1. 定义:抽提物是指木材中经中性溶剂如水、酒精、 苯、乙醚、氯仿、水蒸汽或用稀碱稀酸溶液抽提出 来的物质的总称。
2.多元酚类化合物 :单宁是植物中多元酚类化合物的 衍生物。单宁经过浸提、浓缩处理和干燥后得到的 工业品称为栲胶,主要用于制革工业,锅炉除垢。 落叶松栲胶还可代替苯酚制造酚醛树脂胶。
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3.树脂类化合物:包括树脂酸、脂肪酸及其酯 类、萜类、醇类等化合物。
4. 生物碱:是存在于树木体内具有重要生理活 性的一类天然化学物质。如金鸡钠树含有奎 宁,可用于治疟疾。黄波萝韧皮的生物碱用 于治疗白喉、肠胃病等。紫杉醇是从红豆杉 中发现的二萜生物碱,结构新奇,对多种癌 症具有明显疗效。
5.黄酮类化合物 :属于天然色素物质 。对治疗 和预防心血管疾病具有相当的功效。
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4.1.3 胞壁三大素在胞壁各层的含量 (%)
WP层
S1层
S2层
S3层
纤维素 14
23
59
44
半纤维 27
35
14
38

木质素 59
42
27
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4.1.3 胞壁三大素在胞壁各层的含量
(图例)
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4.2 木材纤维素
4.2.1 纤维素的定义与结构
1.定义:
纤维素是由D-葡萄糖基构成的直链状高分 子化合物。 綜纤维素:木材中纤维素、半纤维素总和。 α-纤维素:在20℃下,不溶于17.5%NaOH β-纤维素:所得溶液,加醋酸析出沉淀部分 γ-纤维素:所得溶液,加醋酸未沉淀部分
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4.2.3 纤维素的化学性质
4.2.3.1 纤维素的降解作用
1.水解作用: (1)酸水解: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. (2)酶水解:国外正开展酶水解的研究。
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4.2.3.1 纤维素的降解作用
2.热解作用: 纤维素在220~260℃时,纤维素的结晶结构明显 地受到破坏,聚合度下降。在325 ~ 375℃时,
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2.纤维素大分子的形状和排列
(1)形状:纤维素大分子链系为可以弯曲的线状。 (2)排列:纤维素是由结晶区与非结晶区交错联接
而成,具有空隙系统的两相体系。当大分子排列方 向相同,其定向程度越好,则分子间的羟基形成氢 键的可能性也越大,大分子结构越牢固,纤维的密 度越大,吸湿性越低,力学强度越高。
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4.4 木质素
4.4.1 木质素的分离方法
1.将木材多糖溶解除去,木质素作为不溶残渣 而被过滤分离出来。木材褐腐也属此法。
2.将木质素溶出而与木材多糖(不溶性成分) 分离出来。木材白腐属于此法。
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4.4.2 木质素的结构
1.基本结构单元:是由含有苯基丙烷的基本结构 的愈疮木基型、紫丁香基型和对羟苯基型结构。
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4.2.3.2 与木材改性有关的性质
(3)交联作用:先湿法生产纤维板,不需胶粘 剂而成板的重要原因之一。
(4)胺液处理:NH4OH 可进入非结晶区、半 纤维素、木质素、最后进入结晶区而使其改 性药液进入木材,提高处理效果。
(5)塑化处理:先用液态氨软化木材,后塑化, 生产异型木构件或变形构造改直,都是利用 此原理。
• 2.吸水性和润胀度均比纤维素高:因为半纤维 素不能形成结晶区,水分子容易进入。
• 3.耐热性差:在干法纤维板生产中,有时因为 半纤维素含量高、导致板面产生焦糖块,从而 影响板面外观质量。
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4.3.3 半纤维素的利用
1.在制浆造纸中的应用 :有利于纤维的分丝帚化和细 纤维化,提高纤维结合力,对提高纸张的裂断长, 耐破度和耐折度等。
⑵区别针、阔叶树材:GB/T7909-1999《造 纸 木 片 》 规 定 。 用 1%KMnO7 溶 液 处 理 木 材 薄 片 , 浸 15-20min , 用 蒸 馏 水 冲 洗 10min,最后放入NH4OH溶液中观察。显 黄色的为针叶树材,显红色的为阔叶树材。
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2.碱对木质素的作用:用碱法蒸煮木材、脱去 木质素生成碱木质素,可作作乳化稳定剂。
应,皮肤过敏症:湿疹、红疹、水泡等
2.生产乙醇 :半纤维素水解得到己糖和戊糖,通过发 酵和蒸馏得到乙醇。
3.生产木糖和木糖醇:木聚糖完全水解后可制得结 晶的木糖,用作食品添加剂。不完全水解得到的低 聚糖,又称寡糖。包括有水苏糖、棉子糖、麦芽糖、 低聚木糖和低聚半乳糖等。纯化后制取的木糖,再 经过催化氢化、柱层析、重结晶等加工得到木糖醇, 它是近年发展起来的一种新型甜味剂。
3.木质素的氯化作用:氯易与木质素反应,使 木质素氯化后变白。生产中用氯化法生产氯 化漂白纸浆。
4.木质素的溴化作用:溴化剂为溴化钠( NaBr),木质素的溴化作用,是木材溴化滞 火处理的理论基础。
5.木质素的氧化作用:木质素在空气中与氧发 生化学反应,形成发色团,而使木材材色变 深。这是红木材色越来越深的原因所在。
吸附水只能进入无定形区, 水分子容易进入 ,
结晶区对润胀有限制作用 吸湿性和润胀度比纤维素高。
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4.3.2 半纤维素的理化性质
• 1.水解容易、产物各异:半纤维素多糖易溶于 水,而且支链较多,在水中的溶解度高。水解 所得到的产物随半纤维素的来源不同而不同。 聚木糖的酶水解首先由内切聚木糖酶断开聚木 糖骨架,产生寡糖(分子量低的低聚糖),然 后由外切酶将木寡糖和木二糖分解为木糖。
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2.分子式:(C6H10O5)n 聚合度7000-15000 3.化学结构:1,4-β-D-吡喃式失水聚葡萄糖组成。
在自然界中它的性质和功能是通过纤维素分子聚集 体所形成的结晶态和细纤维结构决定的。纤维素的 化学结构
图4-1 纤维素分子链结构式
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4.化学结构的特点:
①单元是D—葡萄糖基、以1、4-β-甙键联 结。 ②纵向连接为纤维素二糖基,相邻的葡萄糖 基扭转180度。 ③葡萄糖基包含三个醇羟基,分别位于2、 3、6三个碳原子上,形成氢键的基本条件。 ④葡萄糖基右端显还原性左端显非还原性
第四章 木材的化学性质
本章重点:
纤维素、半纤维素、木质素的化学结 构和化学性质,探讨木材化学性质与木材 加工、木材改性及木材利用的关系
本章难点:
纤维素、半纤维素、木质素的化学结 构及其对木材加工、木材改性的影响.
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4.1 木材的化学组成
4.1.1 木材的元素组成
1.主要元素:
C 49%~50%, H 6%, O 43%~44%, N﹤1%
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