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第一章植物纤维1主要内容植物纤维原料的分类植物纤维原料的化学成份植物纤维原料的生物结构和细胞形态纤维细胞的构造纤维形态与纸浆、纸张性质的关系1.1植物纤维原料的分类木材纤维原料针叶材（软木，needleleavedwood）、阔叶材（硬木，leafwood）非木材纤维原料禾本科、韧皮纤维、籽毛纤维、叶部纤维半木材纤维原料棉杆1.2植物纤维的原料的化学成份1.2.1化学成份分布图纤维素、半纤维素、木素是植物纤维原料的三大主要组分。1.2.2纤维素纤维素是植物纤维原料的最主要化学成份，也是纸浆、纸张的最主要、最基本的化学成份。纤维素是由β、D-葡萄糖基通过1,4-苷键联结而成的高分子化合物。纤维素分子中的β、D-葡萄糖基含量即为纤维素分子的聚合度（DP）。聚合度与纤维强度的关系：聚合度高，强度高。表1.1常用三类原料的主要化学成分比较植物纤维原料少量组分（低分子量物质）主要组分（高分子量物质）木素有机溶剂抽出无机物（灰份）出碳水化合物芳香族化合物（酚类）萜烯类脂肪酸脂肪与蜡醇类树脂酸纤维素半纤维素1.2.3半纤维素半纤维素是由多种糖基、糖醛酸基所组成的，并且分子中往往带有支链的复合聚糖的总称。常见的糖基有木糖基、葡萄糖基、甘露糖基、半乳糖基、阿拉怕糖基、鼠李糖基等。半纤维素是无定形物质，是填充在纤维之间和微细纤维之间的“粘结剂”和“填充剂”，其聚合度低，易吸水润涨。1.2.4木素木素是由苯基丙烷结垢单元（即C6－C3单元）通过醚键、碳－碳键联结而成的芳香族高分子化合物。木素是填充在胞间层及微细纤维之间的“粘结剂”和“填充剂”，是原料及纸浆颜色的主要来源，其含量是制定蒸煮及漂白工艺的重要条件。蒸煮难易程度：针叶木难，阔叶木中等，禾本科易。1.2.5有机溶剂抽出物不同种类的原料以及同一原料的不同部位中，其抽出物的含量及组成一般是不同的。针叶材中，松木和柏木的有机溶剂抽出物的含量是比较高的（尤其是心材中，且其主要成份是松香酸、萜烯类化合物、脂肪酸及不皂化物等。阔叶材的抽出物主要存在与木射线细胞及木薄壁细胞中，主要含游离的已酯化的脂肪酸、中性物，不含或只含少量松香酸。禾本科原料的有机溶剂抽出物的含量明显比木材原料的低，且主要成份是蜡质，伴以少量的高级脂肪酸、高级醇等。树木中有机溶剂抽出物的含量虽然不高，但由于不同材种，甚至同一材种的不同部位，抽出物的组成及含量不同，对制浆、漂白、漂浆白度及白度稳定性等方面都带来不同程度的影响。1.2.6灰份造纸植物纤维原料种，除碳、氢、氧等基本元素外，还有许多种其他元素。这些元素是植物细胞生命活动中不可缺少的物质，如氮、硫、磷、钙、镁、铁、钾、钠、铜、锌、锰、氯等。一般来说，木材原料的灰份含量较低，含量一般低于1％，多数为0.3％～0.5％；禾本科和树皮中灰份含量高，多为2％～5％（稻草的含灰量为10％～15％），并且，禾本科原料的灰份中，60％以上为SiO2。1.3植物纤维原料的生物结构和细胞形态1.3.1木材的生物结构及细胞形态1.3.1.1木材解剖的常用术语树心位于木材横切面的中心，是由树木的髓和第一年的初生木质部组成的。树皮形成层位于木材和树皮之间的薄层，是树木的分生组织。木质部位于形成层和树心之间的部分，即树木的木材部分。木质部是树木中用于制浆造纸的部分。年轮、生长轮不是所有的树木都有年轮，不是所有的同心圆环都叫年轮。春材、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，是每年生长季节的前期生长出来的，故称春材，也成早材；年轮中靠外圈，颜色较深部分，是每年生长季节的后期，即秋、冬天生长出来的，故称秋材，又称晚材。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，树脂含量高，材质紧密，颜色较深，强度较高，单根纤维较硬，未经打浆时成纸的紧度低、强度差。边材、心材树木生长到一定的树龄之后，木质部中靠树心部分的组织中，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；木质部中靠边缘的，颜色较浅的部分，称边材。心材在树木生长中只起支撑左右。由于树脂含量高、抗腐蚀能力强、浸透性差、耐久性好，用于制浆时，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运而产生“黑片”问题。边材的材质较软，孔道通畅，抗腐蚀能力差，用于制浆时易于浸透、易成浆，泡沫也较少；而且由于树木中纤维形态的分布规律，边材中的纤维长度较大，时制浆造纸的好原料。环孔材、半孔材、散孔材、无孔材1.3.1.2针叶材的生物结构、细胞类型图1.2针叶材的三个切面及各种细胞的形态示意图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。1.3.1.3阔叶材的生物结构、细胞类型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。图1.3阔叶材的三个切面及细胞形态图1.3.2针叶材与阔叶材的比较表1.4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大图1.5针叶材、阔叶材的纤维形状1.3.3非木材纤维原料的生物结构及细胞形态1、禾本科禾本科细胞有纤维细胞、薄壁细胞、导管、表皮细胞、筛管和伴胞、石细胞等。2、半木材纤维原料有木纤维、导管、射线细胞、轴向薄壁组织等。3、韧皮纤维原料有韧皮纤维、伴胞、薄壁细胞等4、籽毛纤维原料5、叶部纤维原料1.4纤维细胞的构造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。根据形成的先后，次生壁可以分为外层（S1层）、中层（S2层）、内层（S3层）。图1.6纤维细胞壁的微细结构模型胞间层（M）是细胞间的连接层，厚度约为1－2um，含纤维素极少，主要成分是木素，有少量的果胶质。在细胞生长期间形成的细胞壁称为初生壁(P)。初生壁(P)是细胞分裂后子细胞原生质体分泌纤维素和少量果胶质紧贴在胞间层两侧而形成的。初生壁(P)可随细胞的生长而延伸，并且有弹性和可塑性。初生壁(P)是细胞壁的外层，由微纤维所组成，胞间层紧密相连，厚度很薄约0.1－0.3um，含有较多的木素和半纤维素，是一层多孔的薄膜，不吸水而能透水，不容易润胀，微纤维在初生壁上作不规则的网状排列，有碍次生壁与外界接触，有碍纤维的润胀和细纤维化，故在打浆中需将此层打碎破除。次生壁的外层（S1）:由若干层细纤维的同心层所组成,厚度较薄约0.1－1um,是P层与S2层的过渡层,其化学成分与P层接近,微纤维排列的方向几乎与纤维的轴向垂直,不规则地交错地缠绕在纤维壁上,S1层与P层结合较紧密,S1层的微纤维的结晶度比较高,对化学和机械作用的阻力较大,它和P层都会限制S2层的润胀和细纤维化,故打浆时也需将此层打碎破除。次生壁的中层（S2）:由许多细纤维的同心层所组成，是纤维细胞壁的主体，厚度最大约3－10um，，约占细胞壁厚度的70－80%，纤维束和半纤维束的含量高，木素的含量少，微纤维的排列几乎和纤维轴向平行，S2层是打浆的主要对象。次生壁的内层（S3）:由层数不多的细纤细同心层所组成，厚度也很薄约0.1um，在纤维壁中所占的比例不到10%，木素的含量低，纤维素含量高，S3层的化学性稳定，微纤维的排列与S1层相似，与纤维轴向的缠绕角约为70－90度，在打浆中一般不考虑。表1.7纤维细胞壁各部分的特点厚度主要成分打浆情况胞间层（M）约1－2um木素，有少量的果胶质。初生壁（P）约0.1－0.3um较多的木素和半纤维素在打浆中需将此层打碎破除。次生壁次生壁外层（S1）约0.1－1um与P层接近打浆时需将此层打碎破除次生壁中层（S2）大约3－10um纤维束和半纤维束的含量高，木素的含量少是打浆的主要对象次生壁内层（S3）约0.1um木素的含量低，纤维素含量高一般不考虑1.5纤维形态与纸浆、纸张性质的关系1.5.1常见原料的细胞组成比较造纸植物纤维原料中，除含有制浆造纸所需的纤维细胞外，一般都含有一定量的其他细胞，这些细胞称为非纤维细胞或杂细胞。如针叶材中的木射线细胞，阔叶材中的导管、木射线细胞和木薄壁细胞，禾本科原料中的导管、薄壁细胞、表皮细胞、石细胞等，都属于杂细胞的范畴。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；成纸时缺乏结合、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，在酸法制浆时则成片状存在、增加纸病、原料的杂细胞含量越高，其制浆造纸价值就越低。常见原料原料中，针叶材的杂细胞含量最低，制浆造纸价值最高；禾本科原料的杂细胞含量最高，其制浆造纸价值最低。表1.8常见原料的纤维及非纤维细胞含量1.5.2纤维形态与纸浆、纸张性质纤维形态除包括纤维的长度、宽度、壁厚、腔径等基本形态指标外，还包括由这些指标组合而成的其他形态指标，最常见的有长宽比、壁腔壁及纤维的粗度等。1、长宽比纤维的长度，在测定原料的纤维形态时是指完整的纤维的长度，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。宽度，一般指纤维中段的直径。纤维长度/纤维宽度的比值，称为长宽比。一般认为，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。所以，在相当长的时期内，长宽比被用作评价原料纤维制浆造纸价值的重要标准。以往的经验认为，纤维长宽比小于45的原料，其制浆造纸价值将很低。应该指出，用长宽比作为标准来评价某些原料的纤维特性是有一定意义的，但用以比较木材原料和草类原料时则存在一定的片面性。不少禾本科原料纤维的长宽比远比针叶材纤维大，但其成纸的强度则比针叶材纤维低得多。因此，纤维长度是一项非常重要的指标，原料纤维的绝对长度是最基本、最重要的形态指标，对纸张的裂断长、耐折度、撕裂度等指标有大的影响。2、壁腔比实践表明，仅用纤维的长度、宽度以及长宽比来表达原料的纤维形态特征是不够全面的。因为长宽比相似而柔软型（壁厚）不同的纤维，可以抄造出强度性质差别非常大的纸页。纤维的壁腔比为细胞壁厚度/细胞腔直径的比值。壁腔比小（即纤维的柔软性好）的纤维，成纸时纤维间的接触面积较大，故结合力强，成纸的强度高；反之，壁腔比大的纤维则较僵硬，成纸时纤维间的接触面积较小，结合力小，成纸的强度差。壁腔比大小对成纸的耐破度指标的影响尤为重要。实际生产中，对壁腔比大的纸浆纤维，可以通过适当的打浆使纤维分丝帚化，从而提高纸浆纤维成纸时的结合力，改善纸页的紧度和强度。应该指出，纤维的壁腔比并非越小越好。因为，壁腔比太小的纤维，其本身的强度太差，尽管其柔软性好，成纸的紧度高，但成纸的强度仍不高。对壁腔比极小的纸浆纤维，其打浆性能及对打浆的要求，与壁腔比大的针叶材纤维是不相同的。表1.9我国造纸植物原料纤维形态比较3、纤维的粗度纤维的粗度，又称纤维的粗细度，是由纺织工业的使用方法引申而来的，所谓纤维的粗度，就是每100m长度的绝干纤维的质量（mg），用decigrex（dg）表示。纤维粗度是评价纸浆质量、预测纸浆在纸机上的适应性以及成纸印刷适应性的很好方法。一般来说，纤维粗度大于30dg的纸浆，造纸的纸页较粗糙，平滑度低；少于10dg的，抄造的纸页细腻，平滑度好。粗度大，纸页的松厚度增加，而裂断长、耐破度、撕裂度及耐折度则下降。表