最新植物纤维化学(通俗易懂)

木射线特点
一般为单列，且为同型木射线
部分为单列，多数为双列甚至多列，有同型射线，又有异型射线
纤维形态及纹孔
较粗且长，纹孔明显
又短又细，多数纤维的纹孔不明显
树脂道
部分针叶材中有树脂道
没有树脂道
纤维排列规则性
横切面中纤维排列规则性强，木材结构较均匀
受导管影响，纤维排列规则性不如针叶材，且不同材种的规则性差别甚大
表1-3主要细胞结构的区别
细胞结构
形成时期
成分
特点
胞间层
细胞分裂末期
果胶
粘合力强，性质不稳定，容易在酸、碱、酶的作用下破坏
初生壁
细胞生长过程中
纤维素、半纤维素、少果胶
厚1-3μm，填充生长，网架结构，薄而可延伸，可随细胞生长不断扩大表面积
次生壁
细胞停止生长后
纤维素、半纤维素及其它物质
厚5-10μm，附加生长，厚而坚韧，只有厚度的增加，没有面积的扩大
五禾本科纤维原料的生物结构、细胞类型、含量及形态
1、禾秆的构造
任何一个禾秆都是由若干个节所组成的，每个节又是由节部和节间所构成的（如图1-17所示）。节间和节部是通过生长带来联系的。
2、禾秆的细胞组成、形态
（1）纤维细胞：
纤维细胞是禾本科植物纤维原料的最主要细胞，是禾秆的支持组织，是制浆造纸的主要成分。但是，禾本科原料的纤维含量低（仅40～70%面积法，如表1-1所示），纤维较短，其制浆造纸价值比木材原料低。
在细胞的形成和生长阶段，原生质体所分泌的纤维素、半纤维素等在胞间层的内侧沉积形成了初生壁（primary wall即P层）。
初生壁停止生长之后，原生质体所分泌的纤维素等产物在P层内侧沉积形成的细胞壁，称为次生壁（secandary wall即S层）。根据形成的先后，次生壁可分为外层（S1）、中层（S2）和内层（S3）。所有植物细胞都具有初生壁，但并不都具有次生壁。
禾本科的表皮细胞，位于叶子和禾秆的外表面，其作用是保护植株的内部器官。
碱法制浆时硅细胞和栓质细胞被碱溶解，增加废液的硅酸钠含量，提高黑液粘度，降低洗浆效率，增加碱回收的“硅干扰”危害。
第三节主要植物细胞的构造
一纤维细胞的形成及纤维
植物细胞的显著特征之一是具有细胞壁；细胞壁包围在细胞的最外层，使细胞具有一定的形状。
二纤维形态及其与纸浆（张）性质的关系
1、常见原料的细胞组成比较
针叶材：管胞、木射线管胞和木射线薄壁细胞；
阔叶材：木纤维、管胞、导管、薄壁细胞及木射线薄壁细胞；
禾本科：纤维细胞、杂细胞。
多数杂细胞都具有腔大、壁薄、长度短的特点，制浆时会吸收大量蒸煮药液；洗浆时会堵塞洗浆机洗鼓的网孔，降低洗涤能力；成纸时缺乏粘结、交织能力，降低成纸的强度；表皮细胞在碱法制浆时会增加废液的硅含量，形成硅干扰；在酸法浆中则成片状存在、增加纸病。总之，原料的杂细胞含量越高，其制浆造纸价值就越低。
3、树脂道
树脂道是部分针叶材独有的特征，是由若干个分泌细胞所围绕成形的一种胞间道。它不是一个细胞，也不是一个组织，而是细胞间隙，中间充满树脂，故称为树脂道(如图1-10、1-11所示)。
三阔叶材的生物结构、细胞类型、含量及形态
1、阔叶材的生物结构图（如图1-12、13、14所示）
（1）横切面：
（2）弦切面：
1.2
注：各种细胞的含量以各种细胞的面积对全部细胞的总面积的百分数计。
2、木薄壁组织
针叶材中的射线细胞，壁薄而腔大，长度小，呈长方形，是木材中沿径向排列的细胞，在横切面上呈辐射状，并贯穿多个年轮；在木质部中称为木射线，在韧皮部中称韧皮射线。
在树木的生产过程中，射线细胞通过纹孔与其他细胞相通，起着横向流通及储存营养的作用；在蒸煮过程中，木射线有利于药液的扩散。尽管针叶材的射线细胞体积甚小，长度极短，没有制浆造纸价值，但由于其量不多，故对纸浆（张）的质量不会产生不良影响。
植物纤维细胞是造纸植物纤维原料中最主要、最基本的细胞。根据细胞壁形成的先后、化学成分和结构等方面的差异，细胞壁可以分成胞间层、初生壁和次生壁三个部分；细胞壁上还有纹孔、胞间联丝等结构以实现细胞之间水分及其它物质的输导、流通。如图1-18和表1-3所示。
植物细胞分裂产生新细胞时，在两个细胞之间形成了一层薄膜，称为胞间层，即中间层（middle lamella简称ML）。
四针叶材与阔叶材生物结构的区别
针叶材与阔叶材原料的主要特点比较如表1-2所示。
表1-2针叶材、阔叶材组织结构比较
项目
针叶材
阔叶材
年轮
除热带外，多数地区中年轮界线明显
除环孔材和部分半环孔材外，不明显
细胞类型
细胞种类少，管胞占90～95%，此外仅有少量木射线，结构简单
细胞种类多，木纤维含量低，又有导管、木射线及纵向薄壁细胞，还有少量的管胞，结构复杂
表1-1常见造纸原料的纤维及纤维细胞含量比较
原料
纤维
薄壁细胞
导管
表皮细胞
其他
杆状
非杆状
马尾松
98.5
1.5
落叶松
98.5
1.5
桉 树
82.4
5.0
12.6
钻天杨
76.7
1.9
21.4
龙须草
70.5
6.7
4.9
3.7
10.7
3.5
荻
65.5
4.9
24.5
4.8
0.3
甘蔗渣
64.3
10.6
18.6
5.3
3.6
34.5
龙须草
2.10
1.34～2.85
10.4
8.3～12.7
202
3.3
3.1
2.13
29.5
毛竹
2.00
1.23～2.71
16.2
12.3～19.6
123
6.6
2.90
4.55
31.2
毛白杨
0.82
20.8
39.5
4.9
12.1
0.81
马尾松
3.61
2.23～5.06
2、阔叶材（leaf wood）
原料的叶子多为宽阔状，故称为阔叶材原料。原料的材质较坚硬，称为硬木（hard wood）。制浆造纸工业用得最多的是白杨、意大利杨、欧美黑杨、桦木、枫木、桉木、榉木、楹木等（如图1-2所示为杨树）。
二非木材纤维原料
非木材纤维原料是我国造纸工业中使用较多的原料，其品种繁多。其中，有一年生的农业废料，也有自然生长或人工培植的禾本科等各种原料。
（3）径切面：
2、细胞类型、含量及形态
（1）木纤维：
木纤维（wood fibre），即纤维细胞，是阔叶材的最主要细胞和支持组织。纹孔多是具缘纹孔，由于细胞壁状增厚，使纹孔由长椭圆形逐渐变为缝隙状或孔腔完全消失而成为单纹孔。平均长度为1mm，直径一般小于20um，阔叶木浆不适于单独抄造高强度纸张。阔叶材中的纤维细胞含量明显低于针叶材的纤维细胞含量，多数材种的纤维细胞含量为60%～80%。（如表1-1所示）
薄壁细胞的长度极短，粘结、交织能力甚差，大量的薄壁细胞对制浆造纸生产及产品质量、废液回收等方面均有不良影响，这是草类原料的特点和缺点。通过备料及纸浆的筛选，降低浆中薄壁细胞的含量，是改善草浆质量的一项有效措施。
（3）导管：
导管是植株的输导组织，根从土壤中吸收的水分和营养就是通过导管由下往上输送的。
（4）表皮细胞：
第一章植物纤维化学
第一节造纸纤维原料的分类
制浆造纸工业使用的原料主体是植物纤维、再生纤维（废纸），其他纤维如矿物纤维、合成纤维、金属纤维等占的比重很小。制浆造纸工业用植物纤维原料品种繁多，可分类如下：
一木材纤维原料
1、针叶材（needle leaved wood）
原料的叶子多呈针状、条形或鳞形，故称为针叶材原料。原料的材质较松软，称为软木（soft wood）。制浆造纸工业用得最多的是云杉、冷杉、铁杉、落叶松、红松、马尾松、火炬松、湿地松、臭松、柏木等(如图1-1所示为西部铁杉)。
（2）管胞：
阔叶材中的管胞数量少，但形态与针叶材中的管胞相似，其胞壁上的纹孔为具缘纹孔，纹孔缘明显。
（3）导管：
导管是阔叶材中的水分输导组织，是由直径很大的管状细胞的端壁相连接而成的。
（4）薄壁细胞及木射线薄壁细胞：
部分阔叶材的木薄壁组织较发达，在横切面上呈现各种类型的分布，其颜色比周围的基本组织浅，特别是横切面上用水湿润后很容易观察到，是识别阔叶材的重要特征。如图1-15、1-16所示。
2、纤维形态及其与纸张性质的关系
（1）长度：纤维的长度，在测定原料的纤维形态时是指完整的纤维长度；在测定纸浆的形态变化时则包括所有纤维的长度（即包括完整的和生产过程中折断，磨碎的）。
（2）宽度：指纤维中段的直径。
（3）长宽比：纤维长度/纤维宽度的比值，称长宽比。长宽比大的纤维，成纸时单位面积中纤维之间相互交织的次数多，纤维分布细密，成纸强度高，特别是撕裂度、裂断长、耐折度等强度指标。反之，则单位面积中纤维之间交织的次数少，成纸的强度较低。长宽比是作为评价原料纤维的制浆造纸价值的重要标准。常见的造纸植物纤维原料的纤维形态特征如表1-4所示。
如图1-4所示。
上述原料中，木材纤维原料，尤其针叶木原料是造纸的优良原料。目前我国应用最多的是马尾松、火炬松、湿地松等针叶木，杨木、桦木等阔叶木也用于造纸。我国木材资源较为紧缺，禾本科植物原料来源丰富，因此在制浆原料中禾本科植物占有一定比例。随着绿色造纸，循环经济的深入发展，越来越多的再生纤维被回用于各类纸张的生产中。
三半木材纤维原料
这类原料主要是指棉杆。棉杆的形态、结构介于木材和禾本科原料之间；分类学上属于锦葵科棉属，全世界约有35个品种。其化学成分，形态结构及物理性质与阔叶材相近。我国是世界上第二大产棉大国，有丰富的棉杆可供制浆造纸开发使用。
四二次纤维（Secondary Fiber）
我国废纸分为11类：混合废纸、废包装纸箱、废瓦楞纸箱、特种废纸、废报纸、废书刊杂志、废牛皮纸、纸箱切边、办公废纸、出版物白纸边和白报纸。
2、春材和秋材
树木的每个年轮是由两部分组成的，靠树心部分的颜色较浅，是每年生产季节的前期生长出来的，故称春材（spring wood），也称早材（early wood）；年轮中靠外圈、颜色较深部分，是每年生长季节的后期，即秋、冬天生产出来的，故称秋材（autumn wood），又称晚材（late wood）。
二针叶材的生物结构、细胞类型、含量及形态
针叶木中的细胞最主要是管胞，并有少量的木射线，一般不含导管。各种细胞在三个切面中的位置及形态如图1-7所示，云杉三个切面的形态如图1-8所示。
1、管胞（tracheid）
管胞（如图1-9所示），即通常所说的纤维，是针叶木中最主要的细胞，一般占针叶木细胞总数的90%～95%（面积法，如表1-1所示）。管胞呈纺锤状，在木材中呈纵向成束排列，与横向成排生长的木射线垂直（如图1-7、1-8所示），管胞既是针叶木中输导水分的组织，又是其中唯一的支持组织。
第二节植物纤维原料的生物结构及细胞形态
一木材的解剖
1、木材解剖的三个切面
树茎三个切面的形态如图1-5所示。（原图1-5和图1-6合并成一个图，请改图序）
（1）横切面：与树干的轴相垂直的切面。
（2）径切面：通过树心、与木射线平行的切面，即通过直径方向的切面。
（3）弦切面：垂直于木射线、与年轮相切的切面。
表1-4常见的造纸植物纤维原料的纤维形态特征
原料
长度（mm）
宽度（um）
长宽比
单壁厚
（um）
腔径
（um）
壁腔比
非纤维细胞
含量(%)
平均
一般
平均
一般
芦苇
1.12
0.60～1.60
9.7
5.9～13.4
115
3.0
3.4
1.77
35.5
荻
1.36
0.64～2.12
17.1
8Fra Baidu bibliotek4～29.3
80
6.17
3.7
春材纤维腔大而壁较薄，长度较短，树脂含量较低，颜色较浅，材质较疏松，强度较差；但纤维较柔软，抄纸时纤维间的结合力较大。秋材纤维的腔小而壁厚，树脂含量较低，材质紧密，颜色较深，强度较高，单根纤维较挺硬，未经打浆时成纸的紧度低，强度差。秋材的密度高，单位体积的木料制浆得率高，纤维细胞较厚，打浆较困难，树脂含量也高；春材则反之。
（2）薄壁细胞（parenchyma）：
薄壁细胞，又称基本组织（ground tissue），是禾本科原料中除纤维细胞外的另一类主要细胞。薄壁细胞在植物生长过程中起着储存营养的作用。薄壁细胞腔大而壁薄，吸水量为自身质量的15倍（纤维细胞仅5倍），蒸煮时液比需加大。薄壁细胞的长度甚短，不单会给洗浆及抄纸等操作带来麻烦，而且会影响成纸的强度和形态稳定性。因此，原料的薄壁细胞含量越高，其制浆造纸价值就越低。
1、竹类
如毛竹、慈竹、白夹竹、南竹、小杂竹等；
2、禾草类
如稻草、麦草、芦苇、甘蔗渣、高粱秆、玉米秆、棉秆等（如图1-3所示为芦苇）；
3、韧皮类一部分是树皮的皮层中含有较多的纤维，如桑皮、构皮、檀皮、棉秆皮等；一部分麻类如亚麻、黄麻、大麻、苎麻等；
4、籽毛类如棉花、棉短绒；
5、叶部类部分植物叶子富含纤维，有制浆造纸价值。如龙须草、甘蔗叶。