树木中的纤维素与木质素

树木中的木材是由不同的能给予树木机械强度的细胞组合而成的，而木材细胞主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成的，在木材细胞结构中，纤维素在最里面，是由充当细胞间质的半纤维素和充当覆盖物质的木质素包围着。此外，木材还能被进一步分为大分子物质和小分子物质，大分子物质主要是指纤维素（45%）、半纤维素（20-25%）和木质素（针叶材：27-37% 阔叶材：16-29%），木质素和半纤维素的性质和化学组成在针叶材和阔叶材中是不同的，而纤维素不管是在哪种材质中，其化学组成是一致的；小分子物质主要是指萃取物，包括萜类物质、醇类物质、脂肪族酸和芳香族化合物，另一些小分子物质是指矿物质，比如K、Ca、Mg 和Si 等。各种松木的纤维素含量约为50～60%，木质素为25～30%，为制浆造纸工业重要的原料之一，也可用作薪炭材。松树种子含油量在30%以上。

近年来，制浆造纸工业每年从植物中分离出大约1.4 亿吨纤维素和半纤维素，同时得到5000 万吨左右含有木质素的废液，但至今为止，超过90%的含有木质素的废液仍被直接排入江河或浓缩后烧掉，没有被广泛而高效地利用，这样不仅浪费资源，而且严重污染环境，提高环境治理的代价。

松果闭合的解释

干透的松树球含有大量的木质素和纤维素，可以改良土壤的疏松透气，并且可以延长土壤的板结时间。松塔鳞的木质会慢慢吸收“淘米水”中的“氮磷钾”元素。既了省去对淘米水的发酵时间，也为松塔鳞土增加养分。

松果壳是由纤维素构成的。纤维素具有溶于水或容易与水亲和的原子团，形成的固体表面容易被水润湿。在不同的温度和湿度下，松果鳞片的开口程度就会变。

松果主要是木纤维组成，干燥的松果放入水中纤维吸收大量的水，,这些水通过虹吸作用传入内层，使内层的纤维膨胀，这样它就合拢了.

松果壳是纤维素等等构成的，由于纤维素亲水，在不同的温度和湿度下，松果的盾的开口程度就会变。原理和叶片气孔上的叶卫细胞变形原理类似。

由于种鳞下方的木栓层、木栓形成层细胞已经木质化，细胞壁吸水易膨胀，由于外侧细胞分布比内侧密集，外侧发生的形变比内侧要大，种鳞向内弯曲从而紧密闭合。

纤维素是一种多糖物质，主要是由很多葡萄糖剩基联结起来的线型大分子，分子式可写成（C6H10O5）n。通常认为纤维素是β-d-葡萄糖剩基彼此以1，4苷键联结而成的大分子，在结晶区内相邻的葡萄糖环相互倒置，糖环中的氢原子和羟基分布在糖环平面的两侧。

化学反应的特征

从纤维素的分子结构来看，它至少可能进行下列两类化学反应：一类是与纤维素分子结构中联结葡萄糖剩基的苷键有关的化学反应。例如：强无机酸对纤维素的作用就属此类；另一类则是纤维素分子结构中葡萄糖剩基上的三个自由羟基有关的化学反应。例如对染料和水分的吸附、氧化、酯化、醚化、交链和接枝等。

从纤维素纤维的形态和超分子结构来看，在保持纤维状态下进行化学反应时，具有不均一的特征，染整加工中所进行的化学反应往往多属此类。产生这种反应不均一性的原因，除了由于纤维表面和内部与反应溶液接触先后不同以及试剂的扩散有关外，从根本上来说则是与纤维的形态和超分子结构的不均一性有关；其次则与反应介质的性能、试剂分子的大小和性能有关。纤维素分子在纤维中组成层、原纤、晶区和无定形区，或者说组成了侧序度高低不同区域，形成了特定的形态和超分子结构。不同的试剂在不同的介质中只能深入到纤维中某种侧序度以下的区域（称为可及区），而不能到达侧序度更高的区域（称为非可及区），以致造成各部分所发生的化学反应程度的不均一。

吸湿和溶胀

在大气中，所谓干燥的纤维素纤维实际上并非绝对干燥的，而是吸附着一定的水分。纤维中水分的含量通常是采用吸湿率或回潮率以及含水率这两项指标表示的。若以D表示试样的绝对干燥重量，W为试样吸收水分的重量，则回潮率或吸湿率（R）和含水率（M）分别是

纤维在大气中吸湿的多少，除了与纤维种类有关外，还与大气相对湿度和温度有关。例如棉纤维在相对湿度为65%，温度为20℃的标准状态下的吸湿率大约为7~8%。如果把比较干燥的纤维放置到比较潮湿的环境中去，经过一定时间后则纤维的吸湿率回增加到一定值，建立起动态平衡，这种现象称之为增湿；相反，把比较潮湿的纤维放置在比较干燥的环境中，则纤维的吸湿率会逐渐减小，直到建立起动态平衡，这种情况称之为脱湿滞后现象。纤维的增湿与脱湿的吸湿率并不相等，该现象称为吸湿滞后现象。

纤维的吸湿主要是发生在纤维的无定型区和晶区的表面。关于纤维的吸湿机理，通过研究，认为纤维素分子中的亲水性羟基是吸湿中心，可直接地吸着水分子，形成单分子层吸湿，而后是水分子层的加厚，间接地吸附水分子。纤维具有吸附水分的特性，不仅关系到纤维的真实重量，而且对纤维的很多性质，都会产生一定影响。例如一些合成纤维制品穿着起来比较闷，容易产生静电，使人有不舒适感觉的主要原因，就是由于这些纤维的分子结构中缺少吸湿中心，吸湿性很差所造成的。

纤维吸湿时伴随发生体积增大的溶胀（或膨化）现象。纤维在溶胀时，直径增大的程度远比长度的增长大得多，这种现象称为纤维溶胀的异向性。纤维由于吸湿而发生的溶胀现象基本上是可逆的，也就是说随着纤维吸湿的降低，溶胀程度也发生相应地减小，最后会回复原状。纤维素纤维吸湿后发生溶胀现象的原因，主要是由于纤维素分子中的亲水性羟基吸湿后，削弱了纤维无定形区分子间的相互联系，因此，该区域中的分子链段运动范围增大，有类似于低分子物溶解的溶胀现象发生。然而从纤维素分子结构来看，除分子量较高外，其他方面与葡萄糖的情况相似，在水中也理应多少有一点溶解度，但实际并不如此，仅能发生有限可逆溶胀，这是由于溶胀只发生在纤维无定形部分，而结晶部分不发生溶胀，还有限制纤维溶胀的作用。所以纤维素纤维在水中边不能发生无限溶胀——溶解。分子结构相同或极为相似而超分子结构不同的纤维，它们在水中的溶胀程度也就不一样。

纤维素的降解（退化）反应

能使纤维素分子发生降解的反应是比较多的，从染整角度来说，这类反应是有害的，将使纤维受到损伤，应力求避免。

1)酸对纤维素的作用

染整工艺过程中常常回用酸来处理织物，例如漂白后的酸洗等。用酸时，必须对浓度、温度和时间等条件都要加以严格控制，此后还必须将酸从织物上彻底洗净，否则便会引起纤维损伤，导致强度降低。酸对纤维素的作用，主要是对纤维素分子中苷键的水解起催化作用，使纤维素聚合度降低。所以纤维素纤维对酸比较敏感，但是这种敏感性是相对的，在适当条件下，还是有一定稳定性的。实践证明，在其它条件相同时（例如酸的浓度、处理的时间和温度），强的无机酸如硫酸、盐酸等作用最为剧烈，磷酸较弱，硼酸更弱；至于有机酸即便是强的，蚁酸以及醋酸等的作用也还是比较缓和的。在使用强无机酸时，若能适当控制条件，不致立即引起纤维的严重损伤，现将有关的影响因素说明如下：

（1）温度：在20~100℃的范围内，酸的浓度恒定，温度每提高10℃纤维素水解速度可增加2~3倍；

（2）浓度：当酸的浓度在3M以下时，纤维素水解速率与酸的浓度几乎成正比。当酸浓度大于3M时，纤维素水解速率比酸浓度增大的速率为快；

（3）时间： 在其它条件相同的情况下，纤维素水解程度与时间成正比。

适当掌握各种影响因素，便可控制反应发生的程度。例如棉纤维在浓度为2G/L硫酸溶液中，于80℃处理60分钟，纤维强度要降低25%，若处理温度比较低，时间比较短，则纤维的损伤就要轻得多。用0.1~1G/L硫酸在缓和条件下处理棉纤维，就不致使纤维强度发生明显下降。总之，在染整加工中使用强无机酸时，应给以足够重视，特别要避免在带酸的情况下进行干燥，否则将会产生十分严重的后果。

2）纤维素的氧化

棉或涤棉混纺织物的漂白，是采用氧化性漂白剂来完成的，但这并不意味着纤维素对氧化剂的作用是稳定的；相反，一些氧化剂可以使纤维素发生严重降解，然而在适当条件下，既可以满意地保存纤维，又能满足加工的要求。

在染整加工中，纤维素受到的氧化作用，通常都是在以水为介质的情况下发生的，反应是不均一的，主要发生在纤维的无定形部分和结晶区表面，这一点和纤维素水解是相似的。如果纤维素仅被氧化成上述的一些产物，从分子结构上来看和纤维素的水解有所不同，并未真正发生分子链的断裂（当然进一步被氧化后也是会发生的），只是葡萄糖环发生破裂，按理来说纤维的强度和纤维素铜氨溶液的粘度显著下降，而强度变化不大，但不稳定，经过碱处理后便大幅度下降，这种现象称之为纤维受到“潜在损伤”。实践证明，次氯酸钠漂白的棉纤维常具有这种损伤。判断纤维在漂白过程中所受到的损伤程度，通常可测定纤维或制品强度来加以表明。但是也明白，纤维强度的降低，只能反映纤维素分子链在漂白过程中已发生断裂的那部分造成的损伤，却不能反映纤维所受到的全部损伤，如果测定碱煮后的强度便能比较全面地反映问题，此外也测定纤维素铜铵或铜乙二胺溶液粘度的变化来加以了解。

碱及液氨对纤维素纤维的作用

1）碱对纤维素纤维的作用

棉布印染厂常常利用烧碱进行织物的处理和加工。例如用稀碱液进行棉布的退浆、煮练，用浓烧碱液进行丝光，因而可以认为纤维素本身对碱是相当稳定的。当然这种稳定性是相对的，在一定条件下碱也会引起纤维素的降解。当氢氧根离子浓度和温度都比较高（例如1.0NNaOH，170℃）的条件下，纤维素的降解作用，是十分剧烈和迅速的。并且当纤维上有碱存在时，碱将起着空气中的氧对纤维素氧化的催化作用。因而在棉布染整加工中，使用烧碱时，在高温、高浓度的条件下应该予以足够的重视，特别要注意避免带碱的棉布长时间与空气接触，以免纤维素受损。

利用浓烧碱（大约18~25%）进行棉布或涤棉混纺织物的丝光，是棉布印染厂中的一个重要工序，如果控制恰当，就可以达到改善纤维性能的目的。棉纤维在浓碱中发生了剧烈溶胀，，而且和水的作用不同。水仅能使纤维无定形部分分子间的结合力拆散，并使之发生溶胀，而浓碱液却能深入到纤维的晶区，部分地克服晶体内的结合力，使晶格发生一定程度的溶胀和拆散，但是仍不能克服晶体内所有的结合力，而使之发生无限溶胀。水洗后，经过这样巨大变化后的分子链便不可能全部回复到原来的状态，使纤维的形态和超分子结构产生不可逆的变化，因而利用这种性能所获得的纺织品整理效果将是持久的。

2）液氨的作用

液氨处理对棉纤维结构和性能的影响与浓烧碱也的作用有很多相似之处，主要有以下几点：化学活泼性的提高；形态变化和光泽的改善。液氨处理对棉纤维机械性能影响的规律与浓烧碱的作用基本相似，由于棉纤维在这两个处理过程中都具有很大的可塑性，因此张力对性能的影响是极其重要的。

有些资料认为液氨处理对提高纱线或织物机械性能的改善要比烧碱丝光好些，也有资料认为棉布经过液氨处理更适宜进行树脂整理。与浓碱液相比，液氨分子体积小，粘度低，对棉纤维溶胀的程度较小，以致处理比较均匀，这可能就是液氨处理能使纱线或织物机械性能获得较大改善和更适合于进行树脂整理的原因。

5. 其他的化学作用

从化学的观点可以将纤维素看作是多元醇，它能进行一系列醇所能进行的化学反应。因此就可利用这一特性进行棉织物的化学整理、染色或化学变性。如利用纤维素和硝酸反应的性质，可制成再生纤维（火药棉）；利用纤维素和醛反应的性质，可对纤维进行防皱整理等。

原本木质素是一种白色或接近无色的物质。我们见到的木质素的颜色，是在分离、制备过程中造成的。随着分离、制备方法的不同，呈现出深浅不同的颜色。酸木质素、铜胺木质素、过碘酸盐木质素的颜色较深，在浅黄褐色到深褐色之间。

木质素的分子量分布

木质素虽然也是高分子化合物，但分离木质紊的相对分子质量要低得多，一般是几干到几万，只有原本木质素才能达到几十万。相对分子质量的高低与分离方法有关。针叶木磨木木质素的重均分子量为2000，阔叶木磨木木质素的稍低；用硫酸从黑液中沉淀出的木树木质素分子量在330—63000之间，其中65％—80％的木质素分子量在500—50000之间。草浆木质素的分子量也呈现出多分散性，其分散系数一般大于2.

木质素的溶解性

高聚物的溶解过程实质上是溶剂分子进入高聚物中，克服大分子的作用力，达到大分子和溶剂分子相互混合的过程。同低分子物质相比较，高聚物的溶解过程一般有二个阶段—溶胀和溶解，整个溶解过程比较复杂和缓慢。

木质素是一种聚集体，结构中存在许多极性基团，尤其是较多的羟基，木质素具有很强的分子内能和分子间的氢键，因此原本木质素是不溶于任何溶剂的。分离木质素时，因为发生了缩合成降解，许多物理性质改变了，溶解度也阻之改变。

碱木质素在酸性及中性介质下不溶于水，但是洛于具有氢键构成能力强的溶剂，如在NaoH水溶液中(其pH值在10．5以上)、二氧六环、丙酮、甲基溶纤剂和吡啶等溶剂中；磺酸盐木质素可溶于各种PH值的水溶液中．而不涪于有机溶剂中。

木质素的玻璃态转化温度 除酸木质素和铜胺木质素外，原本木质素和大多数分离木质素为一种热塑性高分子物质，无确定的熔点，具有玻璃态转化温度。这种玻璃态转化温度与植物种类、分离方法、相对分子质员有关，同时，其湿态和干态也有很大差别。

木质素的化学反应性 木质素分子巾含省甲氧基(一OCH3)、醚键(一O一)、按基(一COOH)、碳碳双键、苯甲醇羟基(PH—CH20H)、酚羟基(PH一OH)、碳基(C=O)和苯环等。对木质素的反应性能起着重要作用的官能团主要有酚聚基、苯甲醉经基、按基以及碳基，其结构表明可以进一步发生烷基化、羟甲基化、酯化、酰化等反应。如通过甲基化发生初步亲核反应、引起醚链的断裂；通过磁化反攻，产生脱甲基反应作用，同时将其转化为水溶性产物；通过羰基紫外吸收性能发生光化学变色；通过活化酚羟基的邻位和对位可以发生亲电子反应。

木质素的胶体化学性 木质素在碱法制浆黑液中呈胶体状态，在PH值不小于10时，具有较强的亲水性。在碱性水溶液中，无定型的木质素分子形成靠被性基团相互作用结合在一起的聚集体，其憎水性基团也内部，亲水性基团构成聚集体的外表面。随着酸的加入，溶液的PH位降低，H+与木质素肢体上的负电荷基团发生亲电反应，木质素分子间缩合、凝聚，形成沉淀析出。

木质素的生物可降解性 木质索原本是一类难于生物降解的高分子聚芳基化合物，单位质星木质素的BOD值较低，如来源于烧碱法革浆黑液的木质素的BOD为0．10—0．11g/g木质素.但在一些特殊菌株作用下，木质素衍生物可被生物品著降解和吸收，从而从草浆中去除；另外，木质索降解酶和半纤维素酶对木质素也有一定购降解作用。