樹木中的纖維素與木質素

樹木中的木材是由不同的能給予樹木機械強度的細胞組合而成的，而木材細胞主要是由纖維素、半纖維素和木質素組成的，在木材細胞結構中，纖維素在最裡面，是由充當細胞間質的半纖維素和充當覆蓋物質的木質素包圍着。此外，木材還能被進一步分為大分子物質和小分子物質，大分子物質主要是指纖維素（45%）、半纖維素（20-25%）和木質素（針葉材：27-37% 闊葉材：16-29%），木質素和半纖維素的性質和化學組成在針葉材和闊葉材中是不同的，而纖維素不管是在哪種材質中，其化學組成是一緻的；小分子物質主要是指萃取物，包括萜類物質、醇類物質、脂肪族酸和芳香族化合物，另一些小分子物質是指礦物質，比如K、Ca、Mg 和Si 等。各種松木的纖維素含量約為50～60%，木質素為25～30%，為制漿造紙工業重要的原料之一，也可用作薪炭材。松樹種子含油量在30%以上。

近年來，制漿造紙工業每年從植物中分離出大約1.4 億噸纖維素和半纖維素，同時得到5000 萬噸左右含有木質素的廢液，但至今為止，超過90%的含有木質素的廢液仍被直接排入江河或濃縮後燒掉，沒有被廣泛而高效地利用，這樣不僅浪費資源，而且嚴重污染環境，提高環境治理的代價。

松果閉合的解釋

幹透的松樹球含有大量的木質素和纖維素，可以改良土壤的疏松透氣，并且可以延長土壤的闆結時間。松塔鱗的木質會慢慢吸收“淘米水”中的“氮磷鉀”元素。既了省去對淘米水的發酵時間，也為松塔鱗土增加養分。

松果殼是由纖維素構成的。纖維素具有溶于水或容易與水親和的原子團，形成的固體表面容易被水潤濕。在不同的溫度和濕度下，松果鱗片的開口程度就會變。

松果主要是木纖維組成，幹燥的松果放入水中纖維吸收大量的水，,這些水通過虹吸作用傳入内層，使内層的纖維膨脹，這樣它就合攏了.

松果殼是纖維素等等構成的，由于纖維素親水，在不同的溫度和濕度下，松果的盾的開口程度就會變。原理和葉片氣孔上的葉衛細胞變形原理類似。

由于種鱗下方的木栓層、木栓形成層細胞已經木質化，細胞壁吸水易膨脹，由于外側細胞分布比内側密集，外側發生的形變比内側要大，種鱗向内彎曲從而緊密閉合。

纖維素是一種多糖物質，主要是由很多葡萄糖剩基聯結起來的線型大分子，分子式可寫成（C6H10O5）n。通常認為纖維素是β-d-葡萄糖剩基彼此以1，4苷鍵聯結而成的大分子，在結晶區内相鄰的葡萄糖環相互倒置，糖環中的氫原子和羟基分布在糖環平面的兩側。

化學反應的特征

從纖維素的分子結構來看，它至少可能進行下列兩類化學反應：一類是與纖維素分子結構中聯結葡萄糖剩基的苷鍵有關的化學反應。例如：強無機酸對纖維素的作用就屬此類；另一類則是纖維素分子結構中葡萄糖剩基上的三個自由羟基有關的化學反應。例如對染料和水分的吸附、氧化、酯化、醚化、交鍊和接枝等。

從纖維素纖維的形态和超分子結構來看，在保持纖維狀态下進行化學反應時，具有不均一的特征，染整加工中所進行的化學反應往往多屬此類。産生這種反應不均一性的原因，除了由于纖維表面和内部與反應溶液接觸先後不同以及試劑的擴散有關外，從根本上來說則是與纖維的形态和超分子結構的不均一性有關；其次則與反應介質的性能、試劑分子的大小和性能有關。纖維素分子在纖維中組成層、原纖、晶區和無定形區，或者說組成了側序度高低不同區域，形成了特定的形态和超分子結構。不同的試劑在不同的介質中隻能深入到纖維中某種側序度以下的區域（稱為可及區），而不能到達側序度更高的區域（稱為非可及區），以緻造成各部分所發生的化學反應程度的不均一。

吸濕和溶脹

在大氣中，所謂幹燥的纖維素纖維實際上并非絕對幹燥的，而是吸附着一定的水分。纖維中水分的含量通常是采用吸濕率或回潮率以及含水率這兩項指标表示的。若以D表示試樣的絕對幹燥重量，W為試樣吸收水分的重量，則回潮率或吸濕率（R）和含水率（M）分别是

纖維在大氣中吸濕的多少，除了與纖維種類有關外，還與大氣相對濕度和溫度有關。例如棉纖維在相對濕度為65%，溫度為20℃的标準狀态下的吸濕率大約為7~8%。如果把比較幹燥的纖維放置到比較潮濕的環境中去，經過一定時間後則纖維的吸濕率回增加到一定值，建立起動态平衡，這種現象稱之為增濕；相反，把比較潮濕的纖維放置在比較幹燥的環境中，則纖維的吸濕率會逐漸減小，直到建立起動态平衡，這種情況稱之為脫濕滞後現象。纖維的增濕與脫濕的吸濕率并不相等，該現象稱為吸濕滞後現象。

纖維的吸濕主要是發生在纖維的無定型區和晶區的表面。關于纖維的吸濕機理，通過研究，認為纖維素分子中的親水性羟基是吸濕中心，可直接地吸着水分子，形成單分子層吸濕，而後是水分子層的加厚，間接地吸附水分子。纖維具有吸附水分的特性，不僅關系到纖維的真實重量，而且對纖維的很多性質，都會産生一定影響。例如一些合成纖維制品穿着起來比較悶，容易産生靜電，使人有不舒适感覺的主要原因，就是由于這些纖維的分子結構中缺少吸濕中心，吸濕性很差所造成的。

纖維吸濕時伴随發生體積增大的溶脹（或膨化）現象。纖維在溶脹時，直徑增大的程度遠比長度的增長大得多，這種現象稱為纖維溶脹的異向性。纖維由于吸濕而發生的溶脹現象基本上是可逆的，也就是說随着纖維吸濕的降低，溶脹程度也發生相應地減小，最後會回複原狀。纖維素纖維吸濕後發生溶脹現象的原因，主要是由于纖維素分子中的親水性羟基吸濕後，削弱了纖維無定形區分子間的相互聯系，因此，該區域中的分子鍊段運動範圍增大，有類似于低分子物溶解的溶脹現象發生。然而從纖維素分子結構來看，除分子量較高外，其他方面與葡萄糖的情況相似，在水中也理應多少有一點溶解度，但實際并不如此，僅能發生有限可逆溶脹，這是由于溶脹隻發生在纖維無定形部分，而結晶部分不發生溶脹，還有限制纖維溶脹的作用。所以纖維素纖維在水中邊不能發生無限溶脹——溶解。分子結構相同或極為相似而超分子結構不同的纖維，它們在水中的溶脹程度也就不一樣。

纖維素的降解（退化）反應

能使纖維素分子發生降解的反應是比較多的，從染整角度來說，這類反應是有害的，将使纖維受到損傷，應力求避免。

1)酸對纖維素的作用

染整工藝過程中常常回用酸來處理織物，例如漂白後的酸洗等。用酸時，必須對濃度、溫度和時間等條件都要加以嚴格控制，此後還必須将酸從織物上徹底洗淨，否則便會引起纖維損傷，導緻強度降低。酸對纖維素的作用，主要是對纖維素分子中苷鍵的水解起催化作用，使纖維素聚合度降低。所以纖維素纖維對酸比較敏感，但是這種敏感性是相對的，在适當條件下，還是有一定穩定性的。實踐證明，在其它條件相同時（例如酸的濃度、處理的時間和溫度），強的無機酸如硫酸、鹽酸等作用最為劇烈，磷酸較弱，硼酸更弱；至于有機酸即便是強的，蟻酸以及醋酸等的作用也還是比較緩和的。在使用強無機酸時，若能适當控制條件，不緻立即引起纖維的嚴重損傷，現将有關的影響因素說明如下：

（1）溫度：在20~100℃的範圍内，酸的濃度恒定，溫度每提高10℃纖維素水解速度可增加2~3倍；

（2）濃度：當酸的濃度在3M以下時，纖維素水解速率與酸的濃度幾乎成正比。當酸濃度大于3M時，纖維素水解速率比酸濃度增大的速率為快；

（3）時間： 在其它條件相同的情況下，纖維素水解程度與時間成正比。

适當掌握各種影響因素，便可控制反應發生的程度。例如棉纖維在濃度為2G/L硫酸溶液中，于80℃處理60分鐘，纖維強度要降低25%，若處理溫度比較低，時間比較短，則纖維的損傷就要輕得多。用0.1~1G/L硫酸在緩和條件下處理棉纖維，就不緻使纖維強度發生明顯下降。總之，在染整加工中使用強無機酸時，應給以足夠重視，特别要避免在帶酸的情況下進行幹燥，否則将會産生十分嚴重的後果。

2）纖維素的氧化

棉或滌棉混紡織物的漂白，是采用氧化性漂白劑來完成的，但這并不意味着纖維素對氧化劑的作用是穩定的；相反，一些氧化劑可以使纖維素發生嚴重降解，然而在适當條件下，既可以滿意地保存纖維，又能滿足加工的要求。

在染整加工中，纖維素受到的氧化作用，通常都是在以水為介質的情況下發生的，反應是不均一的，主要發生在纖維的無定形部分和結晶區表面，這一點和纖維素水解是相似的。如果纖維素僅被氧化成上述的一些産物，從分子結構上來看和纖維素的水解有所不同，并未真正發生分子鍊的斷裂（當然進一步被氧化後也是會發生的），隻是葡萄糖環發生破裂，按理來說纖維的強度和纖維素銅氨溶液的粘度顯著下降，而強度變化不大，但不穩定，經過堿處理後便大幅度下降，這種現象稱之為纖維受到“潛在損傷”。實踐證明，次氯酸鈉漂白的棉纖維常具有這種損傷。判斷纖維在漂白過程中所受到的損傷程度，通常可測定纖維或制品強度來加以表明。但是也明白，纖維強度的降低，隻能反映纖維素分子鍊在漂白過程中已發生斷裂的那部分造成的損傷，卻不能反映纖維所受到的全部損傷，如果測定堿煮後的強度便能比較全面地反映問題，此外也測定纖維素銅铵或銅乙二胺溶液粘度的變化來加以了解。

堿及液氨對纖維素纖維的作用

1）堿對纖維素纖維的作用

棉布印染廠常常利用燒堿進行織物的處理和加工。例如用稀堿液進行棉布的退漿、煮練，用濃燒堿液進行絲光，因而可以認為纖維素本身對堿是相當穩定的。當然這種穩定性是相對的，在一定條件下堿也會引起纖維素的降解。當氫氧根離子濃度和溫度都比較高（例如1.0NNaOH，170℃）的條件下，纖維素的降解作用，是十分劇烈和迅速的。并且當纖維上有堿存在時，堿将起着空氣中的氧對纖維素氧化的催化作用。因而在棉布染整加工中，使用燒堿時，在高溫、高濃度的條件下應該予以足夠的重視，特别要注意避免帶堿的棉布長時間與空氣接觸，以免纖維素受損。

利用濃燒堿（大約18~25%）進行棉布或滌棉混紡織物的絲光，是棉布印染廠中的一個重要工序，如果控制恰當，就可以達到改善纖維性能的目的。棉纖維在濃堿中發生了劇烈溶脹，，而且和水的作用不同。水僅能使纖維無定形部分分子間的結合力拆散，并使之發生溶脹，而濃堿液卻能深入到纖維的晶區，部分地克服晶體内的結合力，使晶格發生一定程度的溶脹和拆散，但是仍不能克服晶體内所有的結合力，而使之發生無限溶脹。水洗後，經過這樣巨大變化後的分子鍊便不可能全部回複到原來的狀态，使纖維的形态和超分子結構産生不可逆的變化，因而利用這種性能所獲得的紡織品整理效果将是持久的。

2）液氨的作用

液氨處理對棉纖維結構和性能的影響與濃燒堿也的作用有很多相似之處，主要有以下幾點：化學活潑性的提高；形态變化和光澤的改善。液氨處理對棉纖維機械性能影響的規律與濃燒堿的作用基本相似，由于棉纖維在這兩個處理過程中都具有很大的可塑性，因此張力對性能的影響是極其重要的。

有些資料認為液氨處理對提高紗線或織物機械性能的改善要比燒堿絲光好些，也有資料認為棉布經過液氨處理更适宜進行樹脂整理。與濃堿液相比，液氨分子體積小，粘度低，對棉纖維溶脹的程度較小，以緻處理比較均勻，這可能就是液氨處理能使紗線或織物機械性能獲得較大改善和更适合于進行樹脂整理的原因。

5. 其他的化學作用

從化學的觀點可以将纖維素看作是多元醇，它能進行一系列醇所能進行的化學反應。因此就可利用這一特性進行棉織物的化學整理、染色或化學變性。如利用纖維素和硝酸反應的性質，可制成再生纖維（火藥棉）；利用纖維素和醛反應的性質，可對纖維進行防皺整理等。

原本木質素是一種白色或接近無色的物質。我們見到的木質素的顔色，是在分離、制備過程中造成的。随着分離、制備方法的不同，呈現出深淺不同的顔色。酸木質素、銅胺木質素、過碘酸鹽木質素的顔色較深，在淺黃褐色到深褐色之間。

木質素的分子量分布

木質素雖然也是高分子化合物，但分離木質紊的相對分子質量要低得多，一般是幾幹到幾萬，隻有原本木質素才能達到幾十萬。相對分子質量的高低與分離方法有關。針葉木磨木木質素的重均分子量為2000，闊葉木磨木木質素的稍低；用硫酸從黑液中沉澱出的木樹木質素分子量在330—63000之間，其中65％—80％的木質素分子量在500—50000之間。草漿木質素的分子量也呈現出多分散性，其分散系數一般大于2.

木質素的溶解性

高聚物的溶解過程實質上是溶劑分子進入高聚物中，克服大分子的作用力，達到大分子和溶劑分子相互混合的過程。同低分子物質相比較，高聚物的溶解過程一般有二個階段—溶脹和溶解，整個溶解過程比較複雜和緩慢。

木質素是一種聚集體，結構中存在許多極性基團，尤其是較多的羟基，木質素具有很強的分子内能和分子間的氫鍵，因此原本木質素是不溶于任何溶劑的。分離木質素時，因為發生了縮合成降解，許多物理性質改變了，溶解度也阻之改變。

堿木質素在酸性及中性介質下不溶于水，但是洛于具有氫鍵構成能力強的溶劑，如在NaoH水溶液中(其pH值在10．5以上)、二氧六環、丙酮、甲基溶纖劑和吡啶等溶劑中；磺酸鹽木質素可溶于各種PH值的水溶液中．而不涪于有機溶劑中。

木質素的玻璃态轉化溫度 除酸木質素和銅胺木質素外，原本木質素和大多數分離木質素為一種熱塑性高分子物質，無确定的熔點，具有玻璃态轉化溫度。這種玻璃态轉化溫度與植物種類、分離方法、相對分子質員有關，同時，其濕态和幹态也有很大差别。

木質素的化學反應性 木質素分子巾含省甲氧基(一OCH3)、醚鍵(一O一)、按基(一COOH)、碳碳雙鍵、苯甲醇羟基(PH—CH20H)、酚羟基(PH一OH)、碳基(C=O)和苯環等。對木質素的反應性能起着重要作用的官能團主要有酚聚基、苯甲醉經基、按基以及碳基，其結構表明可以進一步發生烷基化、羟甲基化、酯化、酰化等反應。如通過甲基化發生初步親核反應、引起醚鍊的斷裂；通過磁化反攻，産生脫甲基反應作用，同時将其轉化為水溶性産物；通過羰基紫外吸收性能發生光化學變色；通過活化酚羟基的鄰位和對位可以發生親電子反應。

木質素的膠體化學性 木質素在堿法制漿黑液中呈膠體狀态，在PH值不小于10時，具有較強的親水性。在堿性水溶液中，無定型的木質素分子形成靠被性基團相互作用結合在一起的聚集體，其憎水性基團也内部，親水性基團構成聚集體的外表面。随着酸的加入，溶液的PH位降低，H+與木質素肢體上的負電荷基團發生親電反應，木質素分子間縮合、凝聚，形成沉澱析出。

木質素的生物可降解性 木質索原本是一類難于生物降解的高分子聚芳基化合物，單位質星木質素的BOD值較低，如來源于燒堿法革漿黑液的木質素的BOD為0．10—0．11g/g木質素.但在一些特殊菌株作用下，木質素衍生物可被生物品著降解和吸收，從而從草漿中去除；另外，木質索降解酶和半纖維素酶對木質素也有一定購降解作用。