植物纤维原料的化学构成

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所属分类:化学纤维
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  植物纤维原料的化学组成 木材纤维原料的化学组成 主要组分:纤维素、半纤维素、木素占纤维原料组 成的大部分。 次要组分: 指除纤维素、半纤维素、木素之外的少量组分,主 要是能被水、乙醇、苯、等中性溶剂或者稀酸 稀碱抽提的有机物和少量无机物。 主要组分 纤维素 微细纤维 纤维细胞壁的网状骨架 填充在纤维之间和微细 纤维之间的粘合剂和 填充剂 半纤维素 木素 原料总质量的80%~95% 1、在细胞壁中,微细纤维、 半纤维素和木素以不连续的 层状结构绕细胞腔排列着 2、三种主要成分在细胞壁中 不是均匀分布的 3、微细纤维是细胞壁的骨架 物质 4、木素和半纤维素是细胞壁 中的填充物质,是微细纤维 的“填充剂”和“粘合剂”。 木材纤维次生壁中微细纤维-半纤维 素-木素之间的微细结构关系 木材组分化学分析 纤维素(cellulose) 纤维素(cellulose) 定义:纤维素是由D-吡喃式葡萄糖基通过1,4—β苷键联 结而成的线状高分子化合物。 纤维素是植物原料的最主要化学成分,也是纸浆、纸张的 最 主要、最基本的化学成分。 与纤维素有关的几个概念 随制备方法、条件的不同,半纤维素和木素溶出程度、纤维 素降解程度的不同而有各种“纤维素”。 ① 综纤维素(Holocellulose) ?定义:指造纸植物纤维原料除去抽出物和木素 后所留下的部分(即纤维素和半纤维素的总和)。 ② 克-贝纤维素 无抽提物试料 湿氯气 H2SO3 + 2% NaSO3 英国人Cross和Bevan提出的分离纤维素的方法。 反复洗(针叶木:4次,禾本科:1-2次) 贝纤维素 克? - ③ 硝酸-乙醇纤维素 用20%硝酸和80%乙醇加热沸腾处理无抽提物的木 粉,使木素变为硝化木素并溶于乙醇,所得残渣即 为硝酸-乙醇纤维素。 未抽提试料 HNO3 (20%份数 ) CH3CH2OH 80% 沸腾 硝酸乙醇法纤维素 说明: a.同一原料不同方法所获得的纤维素量不同: 综纤维素 克贝纤维素 硝酸乙醇法纤维素 (含0.1-0.3%木素, 纤维素发生水解降解 半纤维素亦有溶出) 大部分半纤维素水解 b.制备纤维素时,制备方法、制备条件不同,半纤维 素、木素溶出程度不同,纤维素降解程度不同。因而 会得到各种“纤维素”,因此在表明分离得到的纤维 素时除了给出量值外还必须给出分离方法。 与制浆造纸的关系 1. 原料的纤维素含量高低,是评价原料的 制浆造纸价值的基本依据。 ?棉:95-99%,苧麻:80-90% ,木材:40-50% ?竹:40-50% ,麦草:30-49% 2. 它是植物纤维原料和纸浆的主要化学成 分,在制浆过程中尽量不受破坏。 半纤维素 半纤维素的来源 ?存在于植物细胞壁中 ?是植物细胞壁三大组分之一 ?是地球上最丰富最、廉价的可再生资源之一 3.5*1010t/y ① 什么是半纤维素 半纤维素是由两种或两种以上单糖基(葡萄糖基、 木糖基、甘露糖基、半乳糖基、阿拉伯糖基及鼠 李糖基等)组成的非均一聚糖,并且分子中往往 带有数量不等的支链。 ② 半纤维素的特点 有两种或两种以上的糖基组成的不均一聚糖, 大多带有短的支链。 构成半纤维素主链的糖基有:木糖基、葡 萄糖基、甘露糖基 构成支链的糖基有:木糖、葡萄糖、半乳糖、 阿拉伯糖、葡萄糖醛酸 半纤维素是无定形物质,聚合度较低,易吸水 润胀。 ③ 不同植物原料,所含半纤维素种类不一样: 表4-1 几种温带针叶木阔叶木的化学组成 半纤维素 树种 纤维素 木素 聚-O-乙酰基4-O甲基葡萄糖醛酸 木糖 聚阿拉伯糖-4O-甲基葡萄糖 醛酸木糖 聚葡萄糖甘 露糖 聚-O-乙酰基 半乳糖葡萄 糖甘露糖 果胶、淀粉、 灰分等 香脂冷杉 白云衫 美国五叶松 加拿大铁杉 侧柏 红槭 白桦 42 41 41 41 41 45 42 29 27 29 33 31 25 19 25 35 9 13 9 7 14 4 3 18 18 18 16 12 2 1 3 3 2 2 1 大叶水青冈 颤杨 美国榆树 45 48 51 22 21 24 26 24 19 3 3 4 4 4 2 注:所有数值都是对无抽出物木材的百分数 常用植物纤维原料的半纤维素 ? 针叶木:聚O-乙酰基半乳糖葡萄糖甘露糖为主, 部分聚阿拉伯糖4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖 ? 阔叶木:聚O-乙酰基- 4-O-甲基葡萄糖醛酸木 糖为主,少量聚葡萄糖甘露糖 ? 禾本科:聚阿拉伯糖木糖、聚4-o-甲基葡萄糖醛 酸木糖 ?-纤维素、?-纤维素、?-纤维素、工业纤维素 不溶解部分 ?-纤维素(纤维素和抗碱的 半纤维素) 17.5%NaOH (24%KOH) 沉淀部分 ?-纤维素 (高度降解的纤维 素和半纤维素) 工业半 纤维素 不沉淀部分 ?-纤维素 (半纤维素) 漂白化学浆 或综纤维素 20℃处理45min 醋酸中和 溶解部分 与制浆造纸的关系 1、对一般纸浆,半纤维素是尽量保留成分, 提高纸浆得率,对纸浆的性能及成纸性能 也有良好的影响; 2、生产纤维素衍生物用的化学浆,应尽量 除去,以免影响纤维素的化学加工。 木素 定义 木素是由苯丙烷结构单元(即C6-C3单元) 通过醚键、碳-碳键等连接而成的具有三维空 间结构的芳香族高分子化合物. 木素来源 凡是木质化的植物都含有木素,但不同 原料木素含量和种类不同。 针叶木:25%~35%, 阔叶木:20%~25%, 禾本科:15%~25%, 棉纤维含量极少 针叶材阔叶材禾本科棉花 。 木素基本结构单元 C C C C C C C C C OCH3 OH H3CO OH OCH3 OH 愈创木基 Guaiacyl 紫丁香基 Syringyl 对-羟苯基 p-Hydroxyphenyl G型 S型 H型 不同植物原料中木素结构单元的比例(100个C9结构) 原 料 草类 针叶木 阔叶木 对-羟苯基,% 愈创木基,% 10-25 25-50 2.5-3.5 90-95 2.5-3.5 25-50 紫丁香基,% 25-50 0-1 50-75 针叶木:愈创木基型木素(G) 阔叶木:愈创木基型木素、紫丁香基型木素 (G-S) 禾本科:愈创木基型木素、紫丁香基型木素、 对羟苯基型木素 (G-S-H) 与制浆造纸的关系 对于化学浆而言,木素是尽量去除的成分, 提高纸浆的性能及成纸性能。 化学法制浆中 产生黑液的 “罪魁祸首” 常用原料主要化学成分比较 主要化学成分 纤维素 半纤维素 针叶木 45 26 阔叶木 45 34 禾本科 42 40 木素 聚葡萄糖-甘露糖 聚木糖 16 9 29 5 25 21 0 33 17 植物纤维原料的次要成分 植物纤维原料的次要成分 指除纤维素、半纤维素、木素之外的少量组 分,主要是能被水、乙醇、苯、等中性 溶剂或者稀酸稀碱抽提的有机物和少量无机 物。 (1)有机物 果胶:是一组聚半乳糖醛酸 芳香族化合物:单宁、立格南、黄酮类物质 萜烯类化合物: ?-蒎烯、?-蒎烯 高级脂肪酸及酯、高级醇、蜡质 (2)无机物 钾、钙、钠、镁等金属离子的碳酸盐、硅酸盐及 磷酸盐等。 1)果胶 主要存在于植物的胞间层,少量存在于细胞 壁中。具有水溶性,溶液易形成凝胶。 韧皮纤维原料(如麻、桑皮、檀皮)的果胶含 量比较高,应先用生物的和化学的方法脱除 果胶。 2)单宁(tannin) 单宁又称单宁酸、鞣质, 存在于多种树木 (如橡胶树和漆树) 的树皮和果实中。单宁 为黄色或棕黄色无定形松散粉末, 在空气 中颜色逐渐变深, 有强吸湿性; 不溶于、 苯、氯仿, 易溶于水、乙醇、丙酮, 水溶液 有涩味。 单宁能与蛋白质、多糖、生物碱、微生物、酶、金 属离子反应的活性以及它的抗氧化、捕捉自由基、 抑菌、衍生化反应的行为被揭示后, 其应用前景和 范围迅速扩大。目前它在食品加工、果蔬加工、贮 藏、医药和水处理等方面已取得重要突破, 近年来 它在化妆品生产中也崭露头角。 单宁的用途非常广泛,具有杀菌、美容、抗衰老、 吸附重金属、澄清液体等作用。 3)灰分 (1)定义 植物纤维原料都含有一定量的矿物质。纤维原料燃 烧和灰化后剩下的物质。 (2)木材与草类原料的灰分含量与组成有很 大差别 原料 针叶木 阔叶木 1(0.1~1.0%) CaO,K2O和Na2O 含量 组成 存在 树皮 叶部 草类 2%(2~5%)* * 稻草(10~15%) SiO2 说明: a、大多数木材原料灰分为0.3-0.5%,禾本科原料 的灰分多数在2-5%; b、原料不同、位置不同、年龄不同,灰分含量以 及灰分中各种元素的比例不同,与植物生长环境 也有关系; c、原料中灰分是呈氧化物状态的矿物质元素。 植物纤维原料化学组成比较 溶液抽出物 原料 灰分 冷水 热水 1%Na OH 聚戊 糖 木素 果胶 纤维 质 素 硝酸-乙 醇纤维 素 54.81 70.75 桑皮 4.40 亚麻 1.32 5.94 2.39 - 3.37 2.34 35.47 - 10.42 - 8.74 - 8.8 4 9.2 9 云杉 0.73 马尾 0.33 松 桦木 0.82 杨木 0.32 毛竹 1.10 1.42 2.21 1.69 1.38 2.38 2.68 6.77 2.36 2.46 5.96 0.37 4.43 2.16 0.23 0.66 12.43 22.87 21.32 15.61 30.98 11.62 8.54 25.90 22.61 21.12 28.4 3 28.4 2 22.9 1 17.1 0 30.6 7 1.3 2 0.9 4 1.6 9 1.7 6 0.7 46.92 51.86 53.43 43.24 45.50 不同原料的有机溶剂抽出物 (1)针叶木的抽出物 针叶木中,松木和柏木的有机溶剂抽 出物的含量是比较高的(尤其在心材 中),其主要成分为松香、萜烯类化 合物、脂肪酸及不皂化物。 针叶木有机溶剂抽出物主要存在于树 脂道和射线薄壁细胞中,心材含量比 边材含量高。 (2)阔叶材的抽出物 阔叶木的抽出物主要存在于木射线、木薄壁细 胞中和导管中,主要含游离的已酯化的脂肪 酸、中性物、多酚类化合物,不含或只含少 量松香酸。 (3)禾本科植物原料的抽出物 抽出物含量低 蜡质,少量高级脂肪酸和高级醇 主要存在于禾本科原料表皮层的外表 面 说明: 1、同一原料,溶剂不同,溶出物质及溶解能 力不同,抽出物的含量与成分不同。 2、很少单独用苯或醇作为抽提剂,经常以苯 醇混合液作为抽提剂。 Thank you!

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