木材细胞的组成成分分为主要成分和次要成分两种，主要组成成分是纤维素（cellulose）、半纤维素（hemicelluloses）和木素（lignin）；次要成分有树脂、单宁、香精油、色素、生物碱、果胶、蛋白质等。

木材纤维素含量为40%～50%，禾本科植物纤维素含量略低些。表3－1中数字显示：针叶材木素含量高于阔叶材；禾本科植物和阔叶材半纤维素及聚戊糖含量高于针叶材；针、阔叶材的纤维素含量无显著差别，依树种不同而略有不同。

纤维素、半纤维素和木素是构成细胞壁的物质基础，其中纤维素形成微纤丝（micro fibril），在细胞壁中起着骨架作用，半纤维素和木素则成为骨架间的粘结和填充材料，如图4－1所示，三者相互交织形成多个薄层，共同组成植物的细胞壁。

从木材细胞壁中化学成分的分布来看：初生壁中含有较少的纤维素，而半纤维素和木素的浓度较高，相反次生壁纤维素含量高，而且呈现由外（S1层）向内（S3层）纤维素含量逐渐增加的趋势；利用电子显微镜直接观察云杉切片半纤维素的分布，结果表明总的趋势是由外向内渐减，以S2层中层半纤维素含量为最低。云杉管胞细胞壁各个部位的聚葡萄糖甘露糖含量和复合胞间层中聚阿拉伯糖含量均明显高于桦木细胞壁。复合胞间层中木素浓度最高（60－90％），利用紫外显微镜摄影分析云杉早材管胞细胞壁（图4－2a）,沿虚线处对细胞壁进行断面扫描，结果如图3－2b所示，其峰值对应于复合胞间层处。次生壁中木素浓度较低，但是由于次生壁总体积远高于复合胞间层，所以次生壁中木素的含量至少占总量的70％。木材细胞壁中纤维素、半纤维、木素的分布，与木材软化、纤维分离制浆以及热压成型有密切关系，在高温和水分作用下，木素可以发生软化而塑化，当受到外力作用后，纤维可以分离，为达到单体纤维分离的目的，在制浆工艺中尽可能分解和软化复合胞间层的木素。随着木素和半纤维素的溶出，微纤丝暴露在纤维表面，经过打浆处理，使纤维细胞壁进一步破损，暴露更多的微纤丝，形成分丝帚化作用。

木材次要成分多存在于细胞腔内，部分存在于细胞壁和胞间层中，由于可以利用冷水、热水、碱溶液或者有机溶剂浸提出来，所以又称浸提物（extractives）。木材浸提物包含多种类型的天然高分子有机化合物，其中最常见的是多元酚类，还有萜类、树脂酸类、脂肪类和碳水化合物类等。木材浸提物与木材的色、香、味和耐久性有关，也影响木材的加工工艺和利用。

不同树种、同一树种不同树株，木材的化学成分都有差异。树干与树枝的化学成分差异很大，纤维素含量树干多于树枝，木素含量树枝大于树干；半纤维素和聚戊糖含量树枝大于树干，热水抽提物（其中含有大量多元酚类物质）树枝也大于树干。除少数树种如桑树、构树和柘树外，树皮中纤维素含量比木材低，约占树皮干重的35％，树皮中的灰分和浸提物的含量都比木材高。

组成木材基本元素和平均含量分别是：碳49.5％－50％、氢6.3%-6.4%、氧42.6％－44％、氮0.1％－0.2％。此外，还有少量无机物即灰分组成，总含量为0.2-1.7％，主要是钾、钠、钙、磷、镁、铁、锰等元素。

纤维素是构成植物细胞壁结构的物质，是地球上最丰富的天然有机材料，分布非常广泛，含在植物中的碳，约有40%是结合在纤维素中，每年仅陆生植物就可以达到500亿吨的产量，它是一种可再生资源。纤维素的含量因不同的植物体而异，在种子的绒毛中，如棉花、木棉纤维素含量高达95%～99%；韧皮纤维如苧麻、亚麻中纤维素含量大约80%～90%。

在制浆工业中，纤维素有综纤维素（holo-cellulose）、α-纤维素、β-纤维素和 γ-纤维素之分，综纤维素也称全纤维素，是指植物纤维原料中除去木素后，所残留的全部碳水化合物，即纤维素和半纤维素的总和。用浓度17.5%的氢氧化钠（或者24%的氢氧化钾）溶液，在温度20℃条件下处理漂白浆，非纤维素的碳水化合物大部分溶出，不溶解的部分称为α-纤维素。所得溶液，用醋酸中和后其中沉淀出来的部分称为β-纤维素，未沉淀的部分称为γ-纤维素。α-纤维素、β-纤维素和 γ-纤维素是技术概念，是聚合度不同的多分散性、非均一化合物。

4.2.1 纤维素的结构

纤维素属于多糖类天然高分子化合物，其化学式为C6H10O5，化学结构的实验分子式为(C6H10O5)n，由碳、氢、氧三种元素构成，质量分数分别为44.44%、6.17%、49.39%。纤维素是由葡萄糖单体聚合而成的，而葡萄糖属于己糖，经由1－5个碳原子和一个氧原子形成的六环结构称吡喃葡萄糖（glucopyranose），经由1－4个碳原子和一个氧原子形成的五环结构称呋喃葡萄糖（glucofuranose），如图3－3所示。纤维素的重复单元是纤维素二糖（cellobiose），它的C1位置上保持着半缩醛的形式，具有还原性，而在C4位置上留有一个自由羟基，由此说明纤维素化学结构是由许多β-Ｄ- 吡喃葡萄糖基相互以1-4-ß-甙键连接而成的线性高分子，结构式如图3－4所示，它表明一个纤维素大分子中包含着n个葡萄糖基，n称为聚合度，由此可以计算出纤维素的相对分子质量。

根据大量研究，证明纤维素的化学结构具有如下特点：

第一，纤维素大分子仅由一种糖基即葡萄糖基组成，糖基之间以1→4甙键联结，即在相邻的两个葡萄糖单元C1和C4之间连接，在酸或高温作用下，甙键会发生断裂，从而使纤维素大分子降解；第二，纤维素链的重复单元是纤维素二糖基，其长度为1.03nm，每一个葡萄糖基与相邻的葡萄糖基之间相互旋转180o；第三，除两端的葡萄糖基外，中间的每个葡萄糖基具有三个游离的羟基，分别位于C2、C3和C6位置上，其中第2、3碳原子上的羟基为仲羟基，第6碳原子上的羟基为伯羟基，它们的反应能力不同，对纤维素的性质具有重要影响；第四，纤维素大分子两端的葡萄糖末端基，其结构和性质不同，左端的葡萄糖末端基在第4碳原子上多一个仲醇羟基，而右端的第1个碳原子上多一个伯醇羟基，此羟基的氢原子在外界条件作用下容易转位，与基环上的氧原子相结合，使氧环式结构转变为开链式结构，从而在第1个碳原子处形成醛基，显还原性。左端的葡萄糖末端基是非还原性的，由于纤维素的每一个分子链只有一端具有还原性，所以纤维素分子具有极性和方向性；第五，纤维素为结构均匀的线性高分子，除了具有还原性的末端基在一定的条件下氧环式和开链式结构能够互相转换外，其余每个葡萄糖基均为氧环式椅式结构，具有较高的稳定性。

纤维素的聚合度与纤维的物理力学性质有关，聚合度越大，分子链越长，化学稳定性越高，越不易溶解，强度也越高。木浆纤维素分子聚合度为7000-1000，韧皮纤维为7000－15000，棉花纤维次生壁为13000－14000。当聚合度低于200时，纤维素为粉末状，不呈现力学强度，当聚合度达到200以上，随着聚合度的增大，纤维力学强度增大。所以在纤维分离、制浆、热压及后期处理工艺中，应避免纤维素分子链过度降解而降低纤维板或纸张的强度。

4.2.2 纤维素的物理化学性质

纤维素为白色、无味，具有各向异性的高分子物质，相对密度为1.55，质量热容0.32（J/kg•Ｋ）。其化学稳定性较高，不溶于水、酒精、乙醚和丙酮等溶剂。可溶于10－15％的铜氨溶液、70－72％的硫酸、85％的磷酸、41％的盐酸、浓的氧化锌溶液。

纤维素大分子之间的结合键主要是氢键、范德华力和碳氧键。氢键的键能为5－8kcal/mol，范德华力的能量为2－3kcal/mol，碳氧键键能较大，为80-90kcal/mol，但是由于纤维素的聚合度大，所形成氢键的数量大，键能的总和远远大于碳氧键。形成氢键的先决条件是纤维素分子中存在羟基，而且相距的距离要适当，如果距离超过3Å，不能形成氢键，只能存在范德华力。氢键对纤维素和木材性质影响很大，尤其是对木材的吸湿性、溶解度、化学反应能力影响更大。氢键理论常用来解释纤维板、纸张等纤维相互之间结合力和其它一系列工艺现象。例如，在纤维板生产过程中，通过打浆可以促使纤维分离和一定程度的帚化，增加游离羟基的数目，而板坯通过热压可以活化内部某些功能基团或者缩短纤维之间的距离，以利于形成氢键和范德华力。

纤维素分子聚集的特点是易于结晶，当纤维素分子链满足形成氢键的条件时，纤维素分子链聚集成束，如果彼此间相互平行、排列整齐，具有晶体的基本特征，这一区段称为结晶区（crystalline regions）（图4－5粗黑线部分）；不平行排列的区段称为非结晶区或称为无定形区（amorphous regions）（图3－4细黑线部分），结晶区和无定形区并无明显的界限，纤维素分子链长度可达50000A，可以连续穿过几个结晶区和非结晶区。在纤维素结晶结构方面，涉及晶胞参数、分子链在晶胞中的排列等内容，并由此引伸出结晶度、微晶大小和取向的概念。纤维素的结晶度（crystallinity）是指纤维素的结晶区占纤维素整体的百分数，它反映纤维素聚集时形成结晶的程度。测定纤维素结晶度的方法有X射线衍射法、红外光谱法和密度法等。微晶取向度（degree of orientation）是指所选择的择优取向单元相对于参考单元的平行排列程度。当纤维素受到拉伸外力作用后，分子链会沿着外力方向平行排列起来而产生择优取向，分子间的相互作用力会大大加强，其结果对纤维断裂强度、断裂伸度、杨氏模量都有显著影响。

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