1植物纤维原料第一章植物纤维原料第一节植物纤维原料的分类“纤维”在制浆造纸工业中是指长宽比较大，纤细的丝状物。

由于其形态的特征，容易相互交织而形成纤维薄层，即我们通常所说的纸页。

造纸工业纤维主要来源于植物纤维原料。

纤维是构成植物纤维原料的主体，也是制浆中力求得到的成分。

目前应用于制浆造纸的纤维原料种类繁多，以造纸工业原料的传统分类方法，造纸植物纤维原料可分为以下几类：木材纤维原料：针叶木：云杉、冷杉、臭杉、马尾松、落叶松、红松等。

阔叶木：白杨、青杨、桦木、枫木、榉木、按木等。

草类纤维原料：稻草、麦草、芦苇、芦竹、甘蔗渣、高粱秆、玉米秆等。

竹类纤维原料：慈竹、毛竹等。

韧皮纤维原料：大麻、亚麻、黄麻、桑皮、棉秆皮、构树皮等。

叶纤维原料：龙须草、剑麻、菠萝叶等。

种子毛纤维原料：棉花、棉短绒等。

除植物纤维外，有时在生产某些特种纸时，还配用少量其它纤维，如动物纤维：羊毛、蚕丝。

矿物纤维：石棉、玻璃纤维。

合成纤维：尼龙、聚丙烯腈、聚脂。

第二节植物纤维原料的细胞种类一、植物体的结构从植物的结构来看，大多数植物体可分为根、茎、叶三部分。

大部分植物纤维原料都是用它的茎秆制浆（叶纤维类、韧皮纤维、种子毛纤维除外）。

茎秆部分含纤维细胞较多，但由于在收割时不可避免混入植物的叶子等其它部分。

因此，研究植物各部分的结构以及细胞种类，是制浆造纸原料选择的基础。

植物的叶部其功能是为植物体制造营养成分。

叶肉细胞为壁薄、含汁、有生命的细胞，一般较短呈圆形或椭圆形。

除此之外尚有起支承作用的叶脉，由纤维状细胞组成。

叶的表面都有一薄层为了防止水分过分蒸发和起保护作用的表皮细胞，表皮细胞常分泌蜡质使细胞角质化，减少水分蒸发。

有气孔，进行植物的呼吸作用。

有时还有毛刺、刚毛实行植物的生物保护。

图1-1为禾草类植物叶部的表皮组织。

图1-1禾草类植物叶部的表皮组织1—气孔器 2—长细胞 3—栓质细胞 4—硅细胞 5—表皮毛一般来说，植物的叶子含纤维状细胞较少，都不用作造纸，在备料中尽量除去。

但也有个别植物叶部纤维特别丰富。

如龙须草、剑麻等是造纸的上等原料。

其他如稻、麦草、蔗渣等叶部的纤维虽不多，但在加工过程很难除去，常与茎杆混在一起使用。

在显微镜检验中常凭叶部的表皮细胞的含量、形状作为鉴别纤维原料的参考。

植物的根埋在土壤中，使植物固定，并吸收土壤中的水分及矿物质营养盐向上输送，供给植物生长的需要，所以根部的细胞多为其机械固定及输导作用的细胞。

一般来说，造纸工业中极少用到植物的根做生产原料。

近年来由于造纸工业发展很快，纤维原料供应紧张，各国都在倡导用全树制浆，除树干、枝丫外，树根也用来造纸，以提高木材的利用率。

植物的茎秆主要起机械的支撑作用，使冠部或叶部撑开吸收更多的阳光以利生长，并起输导作用。

即将根部的水分、矿物质向上送到叶部，将叶部制造的营养物质输送到植物的各部以进行植物的新陈代谢作用，多余的储存起来。

这部分组织的细胞多数呈纤维状，是造纸工业使用的主要部分，此外，也有一些基本组织的薄壁细胞及表皮细胞。

二、植物体内细胞的种类虽然植物体内细胞种类很多，形态各异，就造纸性能而言，可以分为两大类。

（一）薄壁细胞薄壁细胞的细胞壁薄而柔软（如图1-2），长度较短，胞腔大多为圆形、椭圆或不规则的多面体。

是植物营养分贮存的基本组织细胞，存在于植物的叶部、髓部以及茎杆纤维类茎杆的基本组织中。

由于壁薄、胞腔大，在蒸煮过程中容易吸收蒸煮药液并与之起化学反应而使部分细胞壁破坏、碎解，增加化学药品的消耗。

洗涤时大部分流失使制浆得率降低。

由于它吸水性强且润胀，洗浆时滤水困难。

抄纸时容易造成压花、粘辊，给抄纸带来困难。

再则这部分细胞交织力弱，机械强度差，原料中含薄壁细胞过多，必然造成纸张强度降低。

从造纸的角度来看，原料中的薄壁细胞愈少愈好。

有的原料，如甘蔗渣中含有较多的蔗髓，这些是贮存蔗汁的基本组织细胞，在制浆之前必须进行除髓，尽量除去薄壁细胞以利于制浆和造纸。

导管是长而壁薄、腔大的细胞，如图1-3。

在植物体中常由多个导管连接成一个长管。

上下相邻的两细胞之间的横隔膜局部或全部溶解消失，互相粘结形成一条由许多细胞腔相连，上下相通的一条长管，供液体流通，在植物体中起输导作用。

导管壁上有纹孔，供液体横向流动。

不同的植物导管的形状及纹孔的形状和排列都有差别，在显微镜检验中常以此来作为鉴别原料的依据。

导管只在阔叶木中及禾本科植物的维管束中存在，针叶木则由管胞输送液体，所以没有导管。

图1-3 杨木的导管图1-4稻草纤维细胞（二）纤维细胞与植物学的分类不同，造纸工业中凡是两端尖锐、细长呈纺锤状的厚壁细胞都称为纤维细胞，如图1-4。

通常，针叶树的管胞、阔叶树的木纤维以及禾草类的韧皮部和维管束中的韧皮纤维等都为纤维细胞。

这类细胞在植物体中主要起机械支撑作用。

针叶木的管胞则兼起输导作用，所以细胞壁上有纹孔以使液体通过。

这类细胞一般细胞壁较厚，细胞腔较窄，是造纸工业的主要原料。

就原料的质量而论，凡含纤维状细胞愈多的植物纤维原料质量就愈好。

第三节植物纤维原料的化学成分组成植物体的化学成分十分复杂，同一种原料，由于产地及生长条件不同，化学成分也有差异。

通常，植物体是由三大要素和少量组分构成。

一、纤维素纤维素是由葡萄糖基构成的直链状有机高分子化合物，相邻的两个葡萄糖基之间是1,4-β-苷键连结，每个葡萄基上含三个醇羟基，每个大分子两端各有一个末端基。

其中，一个末端基上含有一个醛基，因此，纤维素大分子具有还原性。

从原子的空间排列来看，相邻的两个葡萄糖基在空间翻转180o，而相间的葡萄基结构相同，因此，纤维素大分子沿轴对称，化学性质比较稳定。

每个纤维素大分子上葡萄糖基的个数即为聚合度，纤维素是组成细胞壁的主要成分，也是制浆中尽量保留的成分。

二、半纤维素半纤维素是由两种或两种以上的糖基构成的带支链的有机高分子化合物，聚合度比纤维素低得多，半纤维素也是构成细胞壁的主要成分，除特种浆外，制浆中也要尽量保留，但是，浆中半纤维素含量高，滤水性差，难洗浆，易打浆、成纸紧度高、发脆、声响大。

三、木素木素是由苯丙烷结构单元，以碳一碳键和醚键构成的立体、网状高分子化合物。

木素充填在细胞之间以及细胞壁内微细纤维之间，使植物体具有钢性。

化学法制浆的主要目的就是脱除木素，原料中木素含量越高，制浆越困难。

四、其它少量组分以上所述是组成植物细胞的三大主要成分。

除此之外原料中尚有其他含量较少的组分，它们是细胞的分泌物或细胞腔内的贮存物。

在一般常用的原料中含量不大，不会造成什么太大的困难。

但若含量过多，对某些有特殊要求的纸张则必须采取相应的措施予以除去。

（一）树脂、脂肪一般的原料中含量较少，都在1%以下，但在松属木材中含量较多。

它们的粘性较大、容易粘结成团，粘在铜网和压辊上则造成抄纸困难；在纸上则形成透明的树脂点，降纸了纸的质量。

它们易与碱作用生成皂化物而溶于水中，所以含树脂多的松木一般都用碱法制浆以减少它们造成的危害。

脂肪一般危害不大，也可以被皂化溶出。

（二）淀粉、果胶淀粉为细胞腔内的贮存物质。

含量不多，易溶于热水，对制浆造纸没有什么影响。

一般的原料中含果胶不多，它们易被稀碱液分解溶出。

在植物中以果胶酸盐的形式存在，被认为是植物中灰分的来源。

亚麻棉杆等韧皮纤维细胞介质主要是果胶质，只需少量的碱蒸煮即可脱胶。

（三）单宁、色素一般的原料中含量较少不致为害，且它们易被热水抽出。

但含量较多时应事先设法抽出，否则使纸浆的颜色变深不易漂白。

少量木材的心材中色素含量较高，给制浆带来困难。

（四）灰分灰分是植物纤维原料中的无机盐类，主要是钾、钠、钙、镁、硫、磷、硅的盐类。

一般木材中的灰分都在0.2～1.0%左右，草类原料中灰分较木材高，一般的纸张对原料中灰分的高低没有什么特殊的要求，也不会产生什么影响。

但在生产电气绝缘纸时，必须除去灰分才能达到一定的质量要求。

草类原料中，尤其是稻麦草灰分高，灰分中的SiO2的含量较高，蒸发时结垢，造成了碱回收困难。

减少或消除碱回收中的硅干扰是一个需继续研究和解决的课题。

第四节植物纤维细胞及细胞壁的结构一、植物细胞的结构植物细胞是由细胞壁和细胞腔组成，相邻的两个细胞壁之间称为胞间层。

在植物体生长过程中，首先细胞分裂产生新细胞，即活的细胞，它是由一层薄壁（初生壁）包含着带有生命力的原生质。

随着细胞的发育成熟，原生质沉积在初生壁上逐渐增厚形成次生壁，最早形成的为次生壁外层（S1），依次为次生壁中层（S2），次生壁内层（S3）。

细胞停止生长后，形成内部空腔即为细胞腔。

其结构如图1-5。

图1-5细胞壁的结构1—胞间层 2—初生壁 3—次生壁外层 4—次生壁中层 5—次生壁内层二、植物纤维细胞壁植物纤维细胞壁可粗略分为初生壁和次生壁，但每一层中微细纤维的排列又不一样。

所谓微纤维，是指大约100个左右的纤维素大分子平行排列而形成的带状结构单元，微纤维聚集形成细纤维，打浆时，就是通过对纤维进行机械处理，使纤维表面游离出更多的微细纤微，从而增加抄纸时纤维之间的结合力，而细胞壁也主要是由微细纤维排列、缠绕而成。

如图1-6所示。

图1-6 纤维细胞壁显微结构从纤维的细胞横断面上看，从外向里依次分胞间层、初生壁、次生壁。

图1-7为木材纤维微细结构示意图，胞间层ML无微细纤维，由木素填充，在蒸煮中溶出。

初生壁P内微细纤维稀疏，呈不规则网状排列，化学成分除纤维素外，还含有木素、半纤维素、果胶质等，由于它的性质是薄而脆，在化学法制浆中基本脱除，次生壁外层（S1）非常薄，是由几层微纤维组成，微纤维与纤维轴呈左右螺旋排列，层间螺旋呈钝角交错。

微纤维的这种排列方式，使S1层对纤维内层的吸湿润胀有极大的抵抗力。

它使纤维在润胀时有朝纤维纵向改变大小的倾向。

次生壁的S2层是纤维细胞壁中最厚的一层，微纤维的排列方向几乎与纤维轴平行。

由于这层最厚，它的结构左右了纤维的性质使纤维吸湿后主要在横向产生润胀。

同时，由于微纤维的轴向排列，使纤维沿纤维轴有最大的抗张强度，而且纤维壁越厚的纤维它的抗张强度也就越高。

次生壁内层S3是纤维壁的最内层，微纤维的排列绕纤维轴呈锐角定向，与纤维轴间的夹角接近900。

纤维各层在化学组成上也有差异，今以针叶木为例，如表1-1所示。

表1-1 针叶木纤维细胞壁的结构与成分分布名称厚度（微米）微纤维的排列方式微纤维与纤维轴的夹角大致的化学组成（%）纤维素半纤维素木素P S1 S2 S30.03～0.100.10～0.200.50～0.800.07～0.10疏松交织呈网状交错螺旋几乎与轴平行环绕纤维轴-35～75°10～35°70～90°10355555202530407040155图1-7 木材纤维微细结构ML 1～2 无定形无0 10 90 由上表知，木素在S2层中含量最大，在胞间层中密度最大。