植物纤维化学第2讲植物原料分类与结构课件

第二节 造纸植物纤维原料的生物结构,一、木材原料生物结构 1 木材原料的宏观结构 树干由树皮、形成层、木质部、髓心等组成,(1)横切面： Transverse section or cross section, TS 与树干的轴相垂直的切面；,Transverse section or Cross section (cut across trunk),Tangential section (skim off bark),Radial section (cut down centre),(2)径切面：Radial section, RLS 通过髓心与木射线平行而与年轮垂直的切面；,(3)弦切面：Tangential section,TLS 切向切面，垂直于木射线、与年轮相切的切面。,(4)心材（heart wood） ：木质部靠髓心部分组织逐步被树脂、单宁、色素等物质所填充而失去生理活性，变成死细胞，称为心材。 心材树脂含量高、浸透性差，制浆时药液渗透较困难，影响蒸煮的均匀性，降低浆的质量，酸法制浆容易产生树脂障碍及浸透不均匀的黑片现象。 (5)边材（sap wood）：木质部中靠边缘、颜色较浅的部分称为边材 边材材质较软，孔道通畅、易于浸透、易成浆、泡沫较少，纤维长度较大，是制浆造纸的好材料。,（6）早材/春材（ early wood , spring wood） 年轮中靠树心部分颜色较浅，每年生长季节前期生长出来的。 特点：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。 春材材质疏松，制浆得率低，纤维壁薄打浆容易，树脂含量低。 （7）晚材/秋材（ late wood , autumn wood） 年轮中靠外圈部分颜色较深，每年生长季节的后期，即秋冬季节生长出来的。 特点：纤维腔小而壁厚，树脂含量高，材质紧密，颜色较深，强度较高，单根纤维较挺硬，未经打浆时成纸紧度低，强度差。 秋材材质紧密，制浆得率高，纤维壁厚打浆困难，树脂含量高。,（8）年轮、生长轮(growing ring) 形成层在一个生长周期中活动所产生的次生木质部，在横切面上呈现一个围绕髓心的完整轮状结构，称为生长轮。 温带和寒带树木在一年里，形成层分生的次生木质部，形成后向内只生长一层，将其生长轮称为年轮。 （9）树心：髓pith 由一种柔软的薄壁组织组成 （10）树皮：bark，形成层以外的组织， 分为内皮inner bark和外皮outer bark （11）形成层：cambium 韧皮部与木质部之间的分生组织 （12）木质部：xylem 形成层与髓之间的部分 （13）木射线：横切面上呈辐射状颜色较浅的径向细条纹。,单列木射线 (LM400),年轮界限明显 (LM100),沙柳生物结构,博士论文：乔灌木及蔗渣生物结构、制浆性能及细胞壁重要组分的分离与结构鉴定,2 木材原料生物结构,2.1 针叶木的生物结构 2.1.1 针叶木的三维结构,针叶材的三个切面,tangential section,针叶材的横切面,2.1.2 针叶木细胞结构类型,针叶木细胞类型,（1）管胞 tracheids 占针叶木细胞总数9095%（面积法）， 平均长度35mm，宽度3050m， 壁上多为具缘纹孔 输导水分和支持组织； 早材腔大、壁薄，晚材腔小、壁厚,2.1.3 针叶木主要细胞的结构特点,早材管胞和晚材管胞 1、2早材管胞；3、4晚材管胞,（2）木薄壁组织 parenchyma 木射线管胞和木射线薄壁细胞 占针叶木细胞总数510% 木射线管胞： 是厚壁长形的死细胞，壁上有具缘纹孔； 木射线薄壁细胞： 壁较薄，细胞腔内常含有树脂 在造纸过程中常随白水流失,Radial section of balsam fir (Abies balsamea),Radial section of white pine wood,There are no ray tracheids here,ray tracheids,ray parenchyma,（3）树脂道 由若干个分泌细胞所围绕成的一种胞间道，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，故称树脂道,树脂道 1-泌脂细胞 2-死细胞 3-伴生薄壁细胞 4-细胞间隙 5-管胞,分泌细胞,射线细胞包围住的径向树脂道,轴向树脂道,2.1.4 针叶材典型结构特征,树脂道：部分针叶木独有的特征 单列木射线：一般为单列，且无异型射线 交叉场：径切面上横向的木射线薄壁细胞与纵生的管胞交叉的部位。,Tangential section of wood of white pine (Pinus strobus).,The vertical arrows indicate two uniseriate rays. The horizontal arrows mark biseriate rays.,Tangential section of American hornbeam 角树(Carpinus caroliniana),交叉场： cross-field pitting,类型：窗格型、云杉型、柏型、杉型、松型,2.2 阔叶木的结构特点,2.2.1 阔叶木的三维结构图,2.2.2、木材导管排列情况,环孔材、半环孔材、散孔材,散孔材 指在一个年轮内早晚材导管的大小没有明显区别，分布也比较均匀，如杨木、椴木、桉木、柳木、桦木、槭木等。,diffuse porous wood,Yellow poplar, 半环孔材，指在一个年轮内，从生长季节的早期到晚期导管的大小逐渐变化。如水青冈、樟树、柿树、核桃等。,石栎,2.2.3 阔叶木主要细胞结构特点,木纤维： 纤维细胞，壁厚，多是具缘纹孔， 含量仅达68-80%（面积法）， 长度1mm左右，直径小于20m。,细胞类型：木纤维、管胞、导管、木射线、薄壁细胞。,导管：水分疏导组织、直径很大的管状细胞 属于杂细胞，对制浆造纸不利：导管中有侵填体、晶体二氧化硅、钙盐，影响制浆药液渗透，甚至影响纸页表面性质。,管胞,导管分子形态,导管细胞的五种类型,环纹,螺纹,梯纹,网纹,孔纹,薄壁细胞及木射线薄壁细胞 薄壁细胞比较发达。,(1) (2)同型木射线 (3)(4)异型木射线, 木射线： 同型木射线：木射线细胞呈径向（横向）排列 异型木射线：木射线细胞上、下部为直立型，中间为横向。,Tangential and radial sections of American holly 冬青(Ilex opaca),Upright cells can be recognized because they are taller than the procumbent cells； the upright cells are arranged in just a single row.,2.2.4 阔叶木典型结构特征 导管 多列木射线 纤维排列规整性差,作业及思考题,1、名词解释： 树脂道、管胞 2、简答： 造纸原料的分类情况,二、非木材类原料,1 常用非木材原料的种类 禾本科原料、韧皮原料、籽毛原料、叶部纤维 2 非木材原料的生物结构 2.1 禾本科纤维原料生物结构 2.1.1 禾本科原料的宏观构造 任何禾秆都是由若干个节组成，节由节部和节间组成。,节部,节间,Longitudinal views of the grass stem,茎,叶片,鞘,2.1.2 禾本科原料的横切面构造,两类：（A）管状 （B）分散,皮层： 表皮细胞和皮下的纤维层组成。 维管束： TS上由外围的纤维及中央的导管、筛管、伴胞组成。每个维管束四周环绕着的纤维层称为维管束鞘。 纤维来源 基本组织： 薄壁细胞组成，贮存营养物质 对制浆造纸不利。,基本薄壁组织,维管束,皮层,维管束（vascular bundle),纤维细胞fiber：属韧皮纤维类，腔小壁厚，外形纤细，比较短小，细胞壁上有横节纹或单纹孔，也有无纹孔的。,2. 2 细胞类型,薄壁细胞parenchyma：形态各异，有球形、枕头形、圆柱形等等。容易破碎。,有纤维细胞、薄壁细胞、表皮细胞、导管、筛管、伴胞、石细胞等六种。,表皮细胞epidermis cell 有长短两种，长的是锯齿细胞，短的是硅细胞和栓质细胞，比重较大，在制浆时容易流失。,短细胞：栓质细胞,长细胞：锯齿形,短细胞：硅细胞,气孔,表皮细胞(epidermis cell),导管 (vessel element）,其他细胞：石细胞(grit cell),薄壁细胞、表皮细胞、导管、筛管、伴胞、石细胞都是杂细胞。（p44，Table 1-19）,存在于维管组织中，导管有环状、螺旋状、梯形和网纹等形式,非常小的厚壁细胞，竹类植物含量较大，在洗涤和净化段容易除掉。,筛管、伴胞(sieve tube、 companion cell) 直径小、壁上多孔，在植物干燥过程中就被破坏,含有哪几种细胞？,禾本科原料 纸浆,纤维细胞 导管 薄壁细胞 表皮细胞,思考题,制浆：蒸煮时吸水量大，液比高。 造纸：长度很短，以碎片的形式存在于浆中，使浆料的滤水性变差，抄纸时容易粘辊，使纸页断头，使纸页物理强度下降。,麦草薄壁细胞难溶解，常连在一起，形成薄片,薄壁细胞对制浆造纸的影响？,碱法制浆，硅细胞被碱溶解，增加废液中硅酸钠的含量，提高黑液粘度，降低洗浆效率，增加碱回收的硅干扰危害。 酸法制浆，表皮细胞成片存在于纸浆中形成纸病。,表皮细胞对制浆造纸的影响,短细胞：栓质细胞,长细胞：锯齿形,短细胞：硅细胞,气孔,表皮细胞(epidermis cell),稻草,毛竹,甘蔗渣,蔗渣薄壁细胞,本节小结,针叶木、阔叶木、禾本科原料的细胞类型 针叶木与阔叶木典型结构特征,作业、思考题,作业题： 1、名词解释：维管束（组织） 2、简答题： 1）禾本科原料细胞类型？ 2）造纸原料分类？ 思考题： 禾本科原料所得化学浆中含有哪几种细胞？说明与原料中所含细胞类型的差别及其原因。,第三节 植物纤维细胞壁的微观结构,一、植物纤维细胞壁的结构 1、纤维细胞壁的微细结构ultrastructure 纤维细胞壁的层状结构,细胞壁分为胞间层ML、初生壁P和次生壁S。 细胞的形成和生长阶段，原生质体所分泌的纤维素、半纤维素等物质在胞间层内侧沉积形成初生壁P(0.1m)。 两个细胞之间形成了一层薄层，称为胞间层。 初生壁停止生长之后，原生质体所分泌的纤维素等物质在P层内侧沉积形成了次生壁 S(5-10m) 。 次生壁分为S1、S2、S3。,microfibril,复合胞间层CML compound middle lamella =P+ML,细胞角隅胞间层CCML cell corner middle lamella,瘤层W (warty layer) 部分材种的S3层内表面及纹孔缘内表面存在瘤层，如马尾松和玉兰树。,Transverse section of earlywood tracheids in tamarack (Larix laricina),美洲落叶松,Industrial crops and Products,2、微细纤维的结构及其走向 指直径小于45nm的微纤维丝 1）D. Fengel理论 40条纤维素大分子组成一条原细纤维3nm（Elementary fibril）, 16根（44）的原细纤维构成一条微细纤维（Microfibril）， 4根（22）直径为12nm、长度30nm的微细纤维构成一条细小纤维（Fibril）,细小纤维的直径为25nm. 大分子链的作用力：氢键、范德华力 原细纤维之间作用力：单分子木聚糖 微细纤维之间作用力：几分子厚木聚糖 细小纤维之间作用力：木素、半纤维素,Fengel理论图 原细纤维 微细纤维 细小纤维,3nm,12nm,30nm,12nm,原细纤维 聚糖 木素,纤维素大分子链,原细纤维,微细纤维,细小纤维,纤维细胞,细胞壁,直径30含半纤维素,120含半纤维素,250,（一根纤维）,之间存在半纤维素，没有木素,存在木素和半纤维素,植物纤维的构造示意图,细小纤维fibril 微细纤维microfibril 原微细纤维proto-fibril 亚原微细纤维 Subelementary fibril 纤维素分子cellulose,25nm,cellobiose,Elementary fibril,Cellulose crystallite,Microfibril cross section,树干,纤维,髓心,细小纤维,原细纤维,微细纤维,microfibril angle (MFA),2）微细纤维的取向 微纤丝角：微细纤维与纤维纵轴之间的交角,纤维细胞壁不同壁层的相对厚度与微纤维角度,外表面 P0,内表面 P1,06层,410层,位于S1和S2之间的几层,约30150层,S3,S1,S2,S12,S23,位于S2和S3之间的几层,Electron micrograph of a delignified secondary wall (S2) of Pinus sylvestris,Electron micrograph of a delignified primary wall (Pinus sylvestris),3）微细纤维与半纤维素、木素的微细结构的关系 纤维素是骨架物质，半纤维素是填充物质，木素是粘结物。 液体渗透、运动，收缩、润胀发生在微细纤维界面上。,半纤维素填充在原细纤维与微细纤维之间。木素填充在微细纤维之间与胞间层内。,3、应变组织 Reaction Wood 由于强风和地心引力使受压或受拉区域形成应变组织。 受压木（压应木）：Compression wood 针叶木形成压应木，木素含量比正常木高 受压木管胞缺少了S3层，S1层比正常木厚，S2层微细纤维定向45o、产生很深的螺旋裂陷(helical fissure)。 受拉木（拉应木）：tension wood 阔叶木形成拉应木，木素含量低，纤维素含量高，纤维素结晶区大。 木纤维具有一种特别厚的壁层，称凝胶层，由纯纤维素组成。,Transverse section of compression wood tracheids in red spruce,压应木Compression wood,Transverse section of compression wood tracheids in tamarack (Larix laricina),showing intercellular spaces (IS), middle lamella (M), the outer (S1), and the inner (S2) layer of the secondary wall, and the lumen (L). The S2 layer contains narrow, branched helical cavities (HC) as well as two wide drying checks (C),拉应木,Transverse section of a tension wood fiber in American beech (Fagus grandifolia), showing the middle lamella (M), primary wall (P), the outer (S1), and middle (S2) layers of