5.2 纤维素
(1)纤维素的化学结构
5.2 纤维素
(1)纤维素的化学结构
两种类型的氢键:
➢ 分子内氢键，能赋予单 一分子链一定的刚度；
➢ 分子间氢键，对纤维素 超分子结构的形成有重 要作用。
5.2 纤维素
(1)纤维素的化学结构 羟基→氢键: ➢范德华力 < 氢键 < 共价键
氢键的键能： 20~35千焦/摩尔 范德华力键能：10~20千焦/摩尔 C-O-C主键力： 300~400千焦/摩尔
的距离缩短，形成氢键和范德华力。
5.2 纤维素
(2)纤维素的物理结构—微细结构
➢ 基原纤(elemental fibril):一般由几根至几十根长
链分子，互相平行或螺旋状地按一定距离、相位 稳定地结合在一起的大分子束，直径1～3 nm， 具有一定的柔曲性。
5.2 纤维素
(2)纤维素的物理结构—微细结构
附加知识——纳米纤维素应用
➢被广泛应用于基于纳米纤维素的增强聚合物复合材料、 药物载体、食品、化工产品、生物支架材料、贵重金属 纳米材料合成模板等研究。
5.2 纤维素
(2)纤维素的物理结构—结晶结构
纤维素超分子结构的二相体系理论 纤维素的结晶体聚集态结构 纤维素的结晶度计算 纤维素的可及度
Relative Crystallinity / %
5
10
15
20
25
30
35
40
2 Theta / degree
➢ 原纤(fibril)、微原纤 (microfibril)：由若干
根基原纤平行排列在一 起的较粗的大分子束， 直径为12～30nm。
5.2 纤维素
(2)纤维素的物理结构
➢ 巨 原 纤 (macrofibril): macrofibril 由多个微原纤或原纤堆 砌而成的结构体。横向 尺寸0.1～0.6μm。
(1)纤维素的化学结构
➢ 纤维素链上的主要功能基是羟基（-OH），羟基对纤维 素的超分子结构、化学和物理性质有决定作用。
➢ -OH基之间或-OH基与O-、N-和S-基团能够形成氢键 联结
纤维素大分子链之间氢键形成的条件： ①羟基的存在是先决条件。 ②相邻大分子中的羟基距离在0.3 nm以下，超过0.3 nm 只有范德华力，没有氢键。
A 非取向的无定形高聚物 B 非取向的结晶高聚物 C 取向的无定形高聚物 D 取向的结晶高聚物
5.2 纤维素
(3)纤维素的结晶体聚集态结构
a wood power b holocellulose c purified cellulose d WCNF
ad
60
40 abcd
20
0 Samples
Intensity / a.u.
5.2 纤维素
(2)纤维素的物理结构—结晶结构 纤维素超分子结构两相体系结论: ③无定形区：纤维素大分子链排列不呈定向，无规
律，分子间距离较大，不构成结晶格子。
④结晶区与无定形区之间无严格的界面，是逐渐 过渡的。
5.2 纤维素
(2)纤维素的物理结构—结晶结构
纤维素超分子结构两相体系结论: ⑤纤维素分子链很长，一个分子链可以连续穿过
基，分别位于C2、C3和C6位置上
5.2 纤维素
(1)纤维素的化学结构
结构特点: 纤维二糖基本单元
非还原性端基
脱水葡萄糖单元 还原性端基
➢ 纤维素大分子两端的葡萄糖末端基，其结构和性质不同
➢ 具有还原性的末端基在一定条件下氧环式和开链式结构 能够相互转换，其余每个葡萄糖基均具有较高的稳定性
5.2 纤维素
几个结晶区和无定形区。
5.2 纤维素
(3)纤维素的结晶体聚集态结构
迈耶-密希“单元晶胞 ”
晶胞包含四个葡萄糖基， 它们平行排列于晶格的四 角和中心。中心的两个葡 萄糖基为此晶胞所独有， 而每个角上的两个葡萄糖 基则为四个相邻的晶胞所 共有。
5.2 纤维素
(3)纤维素的结晶体聚集态结构
单晶物质
X射线衍射的方法
5.2 纤维素
(1)纤维素的化学结构
氢键键能虽小，其总和非常大，对木材性质影响很大 ①氢键与木材结构性能:可提高木材强度，减少吸湿
性，降低化学反应等。 ②氢键与纤维加工工艺:氢键结合是湿法纤维板的主
要成板理论之一。 a.打浆过程扩大纤维表面积，游离羟基数目增加； b.板坯热压提高各组分功能基的活性，使功能基之间
位彼此以β-苷键联结而成的链状高分子聚合物。
纤维二糖基本单元
椅式构象
非还原性端基
脱水葡萄糖单元 还原性端基
5.2 纤维素
(1)纤维素的化学结构
结构特点: 纤维二糖基本单元
➢ 纤维素大分子仅由一种糖基组成，D-葡萄糖基 ➢ 纤维素链的重复单元是纤维素二糖基，长度为1.03nm ➢ 除两端的葡萄糖基外，每个葡萄糖基具有三个游离的羟
5.2 纤维素
原子、离子或分子按一定的空间次序排列 而形成的固体
(2)纤维素的物理结构—结晶结构
纤维素超分子结构两相体系结论: ① 结 晶 区 (crystalline region) 与 无 定 形 区
(amorphous region)共存；
②结晶区：大分子链排列方向相同，定向程度好，
分子间的羟基形成氢键，大分子结构越紧密牢固 ，构成一定的结晶格子。大分子的稳定性提高， 吸湿性低，对力学强度贡献高。
教学内容
5.1 木材的化学组成 5.2 纤维素 5.3 半纤维素 5.4 木质素 5.5 木材抽提物
讨论：
纤维素都在哪些领域有所应用？
5.2 纤维素
(1)纤维素的化学结构
n-2 2
(C6H10O5)n
n＝7000~15000
定义：纤维素是由许多吡喃型D-葡萄糖基在1→4位彼此以
β-苷键联结而成的链状高分子聚合物。
microfibril elemental fibril
5.2 纤维素
(2)纤维素的物理结构—微细结构
基原纤→微原纤→巨原纤→细胞壁层
大分子 ↓
基原纤 ↓
微原纤
5.2 纤维素
(2)纤维素的物理结构—微细结构
纤维素纳米纤丝的分离制备
附加知识——纤维素纳米纤维分离
200 nm
附加知识——纳米纤维素
5.2 纤维素
(1)纤维素的化学结构
纤维素的定义：纤维素是由许多吡喃型D-葡萄糖基在1→4
位彼此以β-苷键联结而成的链状高分子聚合物。
仲羟基
苷羟基 伯羟基 五羟基己醛（D-葡萄糖）→六元环状的半缩醛素的化学结构
纤维素的定义：纤维素是由许多吡喃型D-葡萄糖基在1→4