木材纤维原料的生物结构及细胞形态

第三节木材纤维原料的生物结构及细胞形态一、树木的粗视结构〔Themacroscopicstructureofwood〕

一、木材解剖用术语树心形成层木质部树皮横、径、弦切面1．木材解剖的三个切面A横切面：与树干的轴垂直的切面；B径切面：通过树干髓心与横切面垂直的切面，又称辐射切面;C弦切面：垂直横切面与年轮相切的切面，又称切线切面。横切面：纤维细胞、导管细胞、纵向树脂道等的横切面，木射线的纵切面。径切面：纤维、导管、树脂道的径向切面、木射线、纹孔。弦切面：纤维、导管的纵切面；横向树脂道、大量木射线横向切面。针叶木三个切面Figure3.Differentplanesofacuttreestemrevealingtransverse(cross-sectional),radial,andtangentialfacesMainstructureofthewoodystemoftrees外皮形成层韧皮部〔内皮〕2．树心树心，也称髓心〔pith〕，一般位于树干中心，也有偏离中心的，称为偏心材。髓心由薄壁细胞组成，所占容积一般较小，对制浆没有什么意义。Figure4.Cross-sectionofan85yearoldLarixsibiricastem〔西伯利亚落叶松〕Figure20.Severecompressionwoodonacross-sectionsurfaceofaleaningsoftwoodsteminPinussylvestris(PhotobyHannuKalaja)〔长柏松〕树皮是树干的最外层，是树干的保护层，尤其是保护树木的形成层。树皮分外皮〔OutBark〕和内皮〔InnerBark〕。3．树皮〔Bark〕外皮:是由已死亡的木栓细胞〔含有木栓质的细胞〕组成。其作用是对木材组织起着抵抗外来机械伤害以及防止外界温度和湿度变化的作用。内皮:是由有生命的活细胞组成，又称韧皮部〔Phloem〕，其作用负担着把树叶光合作用产生的养分向下输送。4．形成层〔Cambium〕形成层位于韧皮部与木质部之间，它是由具有分裂机能的分生细胞组成的一个薄层。这一薄层是由6~8层细胞组成。位于韧皮部和木质部之间的细胞纺锤状原始细胞：产生管胞、导管、筛管等作用：使次生木质部不断增生加粗长高；射线原始细胞：产生维管射线；木射线〔woodray〕；韧皮射线；作用：树木的横向运输与储藏组织。树皮外形成层内木质部5．木质部〔Xylem〕木质部是树干的主要局部，位于形成层与髓心之间，是造纸原料的最主要局部。木质部是植物主要的输导组织和机械支持组织。6．年轮、早材和晚材在树木茎的横切面上，木质部上具有许多同心圆环，即为生长轮。生长轮是由于形成层在一个生长周期中的周期性活动形成的。一年中只长出一个生长轮，故称年轮。每个年轮一般由两层构成，内层是在每年的春季与夏季之间形成的，称之为早材〔或春材〕；外层是夏末及秋天形成的，称为晚材〔秋材或夏材〕。早材〔春材〕、晚材〔夏材、秋材〕〔springorearly-wood、autumnorlate-wood〕早材：春、夏季，细胞分裂快，生长迅速，形成的细胞壁薄，腔大，色浅，木质疏松。晚材：秋季，细胞分裂慢，生长慢，所形成的细胞较细长，壁厚，腔小，色深，木质紧密。Figure4.Cross-sectionofaspruce(PiceaAbies)sampleshowinganannualgrowthringboundary.红豆杉横切面.落叶松横切面.落叶松横切面.春材和秋材的特点比较纤维腔壁长度树脂含量颜色材质强度纤维硬度春材早材腔大壁薄较短较低色浅疏松较差柔软秋材晚材腔小壁厚较长较高色深紧密较高挺硬晚材率

年轮中晚材宽度

晚材率

=----------------------×100%

年轮总宽度对制浆造纸的影响：晚材率低：易打浆，抗张、耐破强度高，纸质匀细，因早材壁薄、弹性好、柔软，故纤维结合力高。晚材率高：除撕裂度高外，透气度大，其它物理强度指标均不及早材。纸质挺硬，结合强度差。

早晚材的比例是造纸用材着重考虑的重要指标之一，特别是针叶木，常见的几个树种的晚材率约为：红松：20％鱼鳞云杉：20％落叶松：25～40％马尾松：25～30％云南松：20～40％7．边材与心材颜色深的局部〔木材的中心〕称为心材〔heartwoodorInnerwood〕，颜色浅的靠近树皮的局部称为边材〔OuterwoodorSapwood〕。心材心材(heartwood)：木质部中靠树心局部，被树脂、单宁等物质填充而失去生理活性，变成死细胞。作用：支撑作用特点：颜色深、树脂含量高，抗腐能力强、耐久性好、浸透性差，适用于制家具及建筑装修等行业。对制浆造纸的影响：制浆时，药液浸透较困难，将会影响蒸煮的均匀性，降低浆的质量；酸法制浆时极易产生树脂障碍及由于浸透不均匀而产生“黑片〞等问题。边材(sapwood)：木质部中靠边缘的，颜色较浅的局部。材质较软，孔道通畅，抗腐蚀性能较差，用于制浆时易于浸透、易成浆，泡沫也较少；纤维长度较大，是制浆造纸的好原料。边材是由活细胞组成的，细胞中贮存的营养分较多，故易被细菌、害虫所侵害。环孔材、散孔材绝大多数阔叶材都具有导管，称为有孔材〔而针叶木一般不具导管，无孔材〕。阔叶材可分为环孔材、半孔材和散孔材三大类型。环孔材指木材中的早材导管比晚材导管大，而且形成一环明显的带或轮。散孔材指在木材的整个年轮中内，导管的大小和分布比较均匀或逐渐变化的。半孔材年轮中导管的分布介于环孔材和散孔材之间。1.环孔材2.半孔材3.散孔材8．木射线〔WoodRays〕木射线是由木射线薄壁细胞组成，它贮藏营养物质，还有横向运输的功能，木质部的营养物质就是经木射线从韧皮部输送来的。二．植物纤维与细胞壁的构造

1．植物细胞的形成过程细胞借分裂而繁殖,细胞分裂的方式可分为:有丝分裂、减数分裂和无丝分裂三种。有丝分裂是一种最普遍的分裂方式。一个细胞分裂产生两个新的子细胞〔右图〕。分裂产生的子细胞既可以是仍保持具有分生能力的分生细胞;也可以是不再具有分生能力的细胞，这种细胞发育成长过程中分化为执行不同生理机能的各种永久细胞,其中很大一局部细胞分化为构成植物体基干起机械作用和输导作用的永久细胞。永久细胞的细胞壁随着细胞的发育而迅速增厚，并在长度方向延伸。在细胞停止生长以后,细胞壁仍然继续增厚,细胞内物质逐渐转化为细胞壁物质,其主要化学成分是碳水化合物和木素。植物纤维的概念这种失去生命机能的细长锐端永久细胞称为植物纤维。2．植物纤维细胞壁的构造胞间层〔Middlelamella〕初生壁(PrimaryWall)次生壁(SecondaryWall)次生壁分外〔S1〕、中〔S2〕、内〔S3〕三层Figure12.CellwalllayersandorganizationofmicrofibrilsinasoftwoodtracheidFigure2.CrosssectionofaPine(Pinuspalustris)latewoodtracheid:MisthemiddlelamellaPistheprimarywall,S1,S2,andS3aretheouter,middleandinnerlayersofthesecondarywall.3．细胞壁上的纹孔细胞在次生壁增厚时，并非全面均匀的增厚，其中常留有不增厚的局部。这种不增厚的局部，因为细胞壁比较薄，在显微镜下观察象一些圆形小孔，实际上并不是真正的孔，而是一些薄壁区域。这些薄壁区域叫做纹孔〔Pit〕。纹孔的构造:具缘纹孔(Borderedpit)单纹孔〔SimplePit)半具缘纹孔(HalfBorderedPit〕纹孔的类型根据增厚情况，纹孔分为：单纹孔：一般在薄壁细胞上具缘纹孔：次生壁强烈增厚的细胞壁上相邻细胞组成的纹孔对的类型：具缘纹孔对：两相邻厚壁细胞上半具缘纹孔对：相邻薄壁细胞与厚壁细胞单纹孔对：两相邻薄壁细胞Figure8.Cross-sectionofonetracheidshowingborderedpits.具缘纹孔AtomicForceMicroscopeImageofBorderedPit(BlackSprucewood)Hereisanotherstructuralviewofasoftwoodborderedpitpair.Twotracheidsareconnectedbythepitpair.Theover-archingpitbordersareseparatedbyacentral"pitmembrane"whichbisectsthepitchamber.具缘纹孔纹孔的构造缘〔具缘纹孔腔上悬挂的局部次生壁〕、口、腔、膜、托〔具缘纹孔膜的中央特别加厚的局部〕Figure13.Profilesofpitpairs(redrawnfromHaygreenandBowyer)

纹孔室纹孔缘纹孔口纹孔膜纹孔托

纹孔的作用1、对植物的作用植物生长过程中，营养、水分、光合作用产物通过纹孔来流通。2、对蒸煮的作用蒸煮液通过纹孔渗透到细胞内部使其可与木素进行反响，小放气可以震破孔膜，利于药液渗透，使原料得到均匀蒸煮。针叶木具缘纹孔中，纹孔塞的形成对针叶木的生长及木片在蒸煮时药液的浸透有不良的影响。单纹孔构造简单，制浆过程中药液的浸透较容易。4．树木的细胞类型

〔CellTypesofWood〕形态〔Shape〕：锐端细胞和薄壁细胞；功能〔Function〕：输导细胞、支撑细胞和贮藏细胞。

输导细胞支撑细胞贮藏细胞阔叶材：导管木纤维薄壁细胞针叶材：管胞薄壁细胞三．针叶材的生物结构、细胞类型、含量及形态〔一〕针叶材的生物结构1、横切面；2、弦切面；3、径切面。〔二〕细胞类型、含量及形态1.管胞占木质部细胞容积的90~95%，呈纺锤状，两边呈钝圆或钝尖形，纵向生长，与木射线垂直。管胞平均长度一般为3~5mm，宽为0.03~0.05mm。管胞壁上的纹孔大多为具缘纹孔管胞是针叶木的输导水分的组织和唯一的支持组织。针叶木中的细胞最主要是管胞，有少量的木射线，一般不含导管。Cellsfromasoftwood.MagnificationX50早材管胞：壁薄，腔大，两端钝圆纹孔大而多易变形，蒸煮后呈扁平带状。

晚材管胞：壁厚，腔小，两端尖削纹孔小而少蒸煮后大多保持柱状。

Detailofannualring.Earlywoodandlatewoodfibres.2.木薄壁组织木射线管胞和木射线薄壁细胞木射线细胞占木材体积的5~10%。Norway云杉和Scots松木射线薄壁细胞的长为：0.01~0.16mm，宽为：2~5μm。〔局部软木有〕木射线管胞：不含树脂。木射线薄壁细胞：内含树脂针叶材的射线细胞壁薄而腔大，长度小，呈长方形，沿径向排列，在木质部称为木射线，在韧皮部称为韧皮射线；木射线管胞木射线薄壁细胞树木生长过程中，射线细胞通过纹孔与其它细胞相通，起着横向流通及储存营养的作用；在蒸煮中，木射线有利于药液的扩散。针叶木的射线细胞体积甚小、长度极短，无制浆造纸价值〔洗涤时流失〕，量少，不会对纸浆的质量产生不良影响。木薄壁组织的作用及与制浆造纸的关系3.树脂道

树脂道是由假设干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。树脂道是局部针叶木材独有的特征，分为轴向〔纵向树脂道〕和径向〔横向树脂道〕。径向树脂道分布在一些木射线内,形状较小。松木树脂道结构图树脂道落叶松横切面.具有正常树脂道的针叶材有松属、落叶松属、云杉属、油杉属和银杉属等；杉木、冷杉、柏木等那么没有树脂道。有脂材:有树脂道无脂材：没有树脂道树脂道与制浆造纸的关系由于树脂道内含树脂，所以制浆中会消耗化学药品，还会引起树脂障碍。四．阔叶材的生物结构、细胞类型、含量及形态〔一〕阔叶材的生物结构阔叶材中细胞的种类较多，包括木纤维、管胞、导管、木射线和薄壁细胞。横切面：1、导管2、木纤维〔成四边形或多边形〕3、木射线薄壁细胞4、木薄壁细胞径切面：1、木纤维侧壁及其上单纹孔。2、导管及其上的具缘纹孔。3、宽带状的木射线。弦切面：1、木纤维及导管的侧壁。2、纺锤状的木射线细胞。〔二〕细胞类型、含量及形态1.木纤维2.管胞3.导管4.薄壁细胞及木射线薄壁细胞1．木纤维即纤维细胞，是阔叶材的最主要细胞和支持组织。木纤维细胞壁上多是具缘纹孔，但由于细胞壁增厚，使纹孔腔消失而成为单纹孔，胞壁上有节状增厚。木纤维长：1mm左右;宽：20μm。由于其长度短，直径小，因此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低：60％－80％。因此其制浆造纸价值不如针叶材。

2．管胞阔叶材中的管胞数量很少，但形态与针叶材的管胞相似，其细胞壁上的纹孔具缘纹孔，纹孔缘明显。管胞纹孔直径≥导管细胞的纹孔直径。3．导管导管是阔叶材中的水分输导组织，它由一系列的导管细胞首尾相连而成；依导管细胞壁的增厚情况不同，导管细胞可分为五种类型，其形态大小等均随木材品种而异。EucalyptusVessel毛白杨横切面.杨木导管.尾叶桉导管.Figure15.Fibersandavesselsegmentofadiffuse-poroushardwoodforPopulustremulaFigure16.Fibersand