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1、Chapter 1 The Composition and Structure of Wood1 Tianjin University of Science&Technology第六节第六节 植物纤维细胞壁的微细结构植物纤维细胞壁的微细结构（UltrastructureUltrastructure）微细结构、电子显微镜下的结构、超结构。微细结构、电子显微镜下的结构、超结构。主主要要讨讨论论细细胞胞壁壁的的层层状状结结构构，细细胞胞壁壁中中微微细细纤纤维维走走向向，各各主主要要组组成成在在细细胞胞壁壁中中的的分分布布等等。指指原原料料中中超超越越普普通通光光学学显显微微镜镜的的分分辨辨能能力力的
2、的细细节节。包包括括纤纤维维细细胞胞的的层层次次构构成成、层层次次的的厚厚度度分分布布、不不同同层层次次微微细细纤纤维维的的取取向向、微微细细纤纤维维的的精精细细结结构构和和纤纤维维细细胞胞壁壁上上纹纹孔的微细结构等孔的微细结构等。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood2 Tianjin University of Science&TechnologyChapter 1 The Composition and Structure of Wood3 Tianjin University of Science&Technology一、纤维细胞
3、壁的结构一、纤维细胞壁的结构细胞壁由原生质体所分泌的物质形成，细胞壁由原生质体所分泌的物质形成，分为分为胞间层、初生壁胞间层、初生壁和和次生壁次生壁。细胞壁上的细胞壁上的纹孔、胞间联丝纹孔、胞间联丝等结构以实等结构以实现细胞之间水分及其他物质的输导和流现细胞之间水分及其他物质的输导和流通。通。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood4 Tianjin University of Science&Technology（二）木材纤维细胞壁的层次结构（二）木材纤维细胞壁的层次结构胞间层胞间层 MLML细胞角区细胞角区（CCCC）复合胞间层复合胞间
4、层CMLCML初生壁初生壁 P P次生壁外层次生壁外层S S1 1次生壁中层次生壁中层S S2 2次生壁内层次生壁内层S S3 3瘤层瘤层 /HT/HT层层Chapter 1 The Composition and Structure of Wood5 Tianjin University of Science&TechnologyChapter 1 The Composition and Structure of Wood6 Tianjin University of Science&TechnologyChapter 1 The Composition and Structure of W
5、ood7 Tianjin University of Science&Technology胞间层（中间层，胞间层（中间层，middle lamellamiddle lamella，MLML）:细细胞胞分分裂裂时时在在两两个个新新细细胞胞之之间间形形成成的的一一层层薄薄膜膜。(木素、果胶）木素、果胶）初初生生壁壁（primary primary wallwall，P P层层）：纤纤维维素素、半半纤纤维维素素等等物物质质在在胞胞间间层层的的内内侧侧沉沉积积形形成成。具具有有柔柔软软性性和可塑性，厚度仅有和可塑性，厚度仅有m m。（纤维素、半纤维素、木素）（纤维素、半纤维素、木素）次次生生壁壁（se
6、condary secondary wallwall，S S层层）：原原生生质质体体所所分分泌泌的的纤纤维维素素等等产产物物在在初初生生壁壁内内侧侧沉沉积积形形成成，厚厚度度在在5 51010m m。分分为为外外层层（S S1 1）、中中层层（S S2 2）、内内层层（S S3 3）.Chapter 1 The Composition and Structure of Wood8 Tianjin University of Science&Technology次次生生壁壁是是细细胞胞壁壁的的主主体体，给给植植株株以以刚刚性性和和抗抗风能力。风能力。所所有有植植物物细细胞胞都都具具有有初初生生壁
7、壁，但但并并不不都都具具有有次次生生壁壁。正正常常的的纤纤维维细细胞胞的的细细胞胞壁壁均均是是由由P、S1、S2、S3等层次所构成的。等层次所构成的。细细胞胞腔腔：细细胞胞壁壁所所包包围围形形成成的的空空腔腔称称为为细细胞胞腔。腔。瘤瘤层层（warty-layer)：部部分分材材种种的的S3层层内内表表面面及纹孔缘内表面上存在瘤层。及纹孔缘内表面上存在瘤层。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood9 Tianjin University of Science&TechnologyChapter 1 The Composition and S
8、tructure of Wood10 Tianjin University of Science&Technology纤维细胞壁的微细结构纤维细胞壁的微细结构Chapter 1 The Composition and Structure of Wood11 Tianjin University of Science&Technology不同层次微细纤维的取向及其对材质的影响不同层次微细纤维的取向及其对材质的影响微微细细纤纤维维（microfibrilmicrofibril）：在在电电子子显显微微镜镜图图中中可可见到的未失真最小细纤维。见到的未失真最小细纤维。微细纤维的取向：微细纤维的取向：是指
9、微细纤维在细胞壁上与纤是指微细纤维在细胞壁上与纤维的轴向之间的交角（或倾角）。维的轴向之间的交角（或倾角）。在纤维细胞壁的不同层次中，微细纤维的取向在纤维细胞壁的不同层次中，微细纤维的取向是不同的。微细纤维的取向是鉴别材种的微细结是不同的。微细纤维的取向是鉴别材种的微细结构特征的重要依据。构特征的重要依据。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood12 Tianjin University of Science&TechnologyChapter 1 The Composition and Structure of Wood13 Tianji
10、n University of Science&TechnologyChapter 1 The Composition and Structure of Wood14 Tianjin University of Science&Technology微细纤维的取向与纤维及木材的力微细纤维的取向与纤维及木材的力学性质的关系学性质的关系微细纤维的取向不同，直接影响纤维及微细纤维的取向不同，直接影响纤维及木材原料的力学性质。木材原料的力学性质。倾角大：倾角大：抗压性能好，抗拉强度差抗压性能好，抗拉强度差倾角小：倾角小：抗拉强度好，抗压强度差抗拉强度好，抗压强度差Chapter 1 The Compos
11、ition and Structure of Wood15 Tianjin University of Science&Technology三者关系三者关系：细胞壁中，细胞壁中，微细纤维、微细纤维、半纤维素、半纤维素、木素以不连木素以不连续的层状结续的层状结构绕细胞腔构绕细胞腔排列排列Chapter 1 The Composition and Structure of Wood16 Tianjin University of Science&Technology瘤层（瘤层（W W Warty layer Warty layer）有些树种，如马尾松、云南松等，在细胞腔的腔壁上有有些树种，如马尾松
12、、云南松等，在细胞腔的腔壁上有一层瘤状结构层，这个部位纤维素含量较少，木素含量较高，一层瘤状结构层，这个部位纤维素含量较少，木素含量较高，它是独立的结构，与它是独立的结构，与S S3 3层有明显的界限。层有明显的界限。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood17 Tianjin University of Science&Technology臭松管胞内壁的瘤层（弦切面）臭松管胞内壁的瘤层（弦切面）1.1.瘤层；瘤层；3 3层层12Chapter 1 The Composition and Structure of Wood18 Tianji
13、n University of Science&TechnologyHTHT层（层（Helical ThickeningHelical Thickening）某些针叶材，如花旗松与紫杉的纤维细胞壁在某些针叶材，如花旗松与紫杉的纤维细胞壁在S S3 3层的细层的细胞腔一侧，有螺旋状增厚层胞腔一侧，有螺旋状增厚层(节状增厚层节状增厚层)，称为，称为HTHT层，层，HTHT层层起着细胞壁的附加支撑作用。起着细胞壁的附加支撑作用。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood19 Tianjin University of Science&Technol
14、ogy微细纤维的精细结构微细纤维的精细结构纤维细胞 微细纤维 原微细纤维 纤维素分子 亚原微细纤维Thomas:Chapter 1 The Composition and Structure of Wood20 Tianjin University of Science&Technology（一）微细纤维的精细结构（一）微细纤维的精细结构纤纤维维素素大大分分子子（约约4040个个）有有规规则则地地排排列列聚聚集集成成原原细细纤纤维维（Elementary Elementary fibrilfibril），若若干干原原细细纤纤维维组组成成微微细细纤纤维维（MicrofibrilMicrofibr
15、il），若干微细纤维再组成纤维（），若干微细纤维再组成纤维（FiberFiber）。）。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood21 Tianjin University of Science&Technology的微细纤维结构模型的微细纤维结构模型原原 细细 纤纤 维维 直直 径径 为为 3nm(Elementary 3nm(Elementary fibril)fibril)微纤维丝直径为微纤维丝直径为 12nm(Fibril)12nm(Fibril)微细纤维直径为微细纤维直径为 25nm(Microfibril)25nm(Microfi
16、bril)Chapter 1 The Composition and Structure of Wood22 Tianjin University of Science&TechnologyChapter 1 The Composition and Structure of Wood23 Tianjin University of Science&Technology纤维素长纤维素长链分子与链分子与微细纤维微细纤维之间的结之间的结构关系构关系Chapter 1 The Composition and Structure of Wood24 Tianjin University of Scien
17、ce&Technology纤维的层次结构与打浆的关系纤维的层次结构与打浆的关系打浆过程：打浆过程：打浆初期，打浆初期，P层及层及S1层破裂引起纤维表面层破裂引起纤维表面微细纤维化。微细纤维化。破坏破坏P层及层及S1层，完全打掉或部分打掉，层，完全打掉或部分打掉，使使S2层裸露并使其分丝帚化。层裸露并使其分丝帚化。横向切断，纵向分丝帚化。横向切断，纵向分丝帚化。使纤维发生水化润胀，也叫内部微细纤维使纤维发生水化润胀，也叫内部微细纤维化。化。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood25 Tianjin University of Science
18、&TechnologyChapter 1 The Composition and Structure of Wood26 Tianjin University of Science&TechnologyChapter 1 The Composition and Structure of Wood27 Tianjin University of Science&Technology禾本科纤维的微细结构禾本科纤维的微细结构稻草、麦草的细胞壁组成较正常稻草、麦草的细胞壁组成较正常其他原料的纤维细胞壁都具有特殊性。其他原料的纤维细胞壁都具有特殊性。禾本科原料的纤维细胞壁的禾本科原料的纤维细胞壁的P P
19、、S1S1层较层较厚。厚。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood28 Tianjin University of Science&Technology主要化学组分在细胞壁中的分布主要化学组分在细胞壁中的分布骨架（骨架（FrameworkFramework）：纤维素）：纤维素填充物质填充物质(Matrix substance)(Matrix substance)和粘合物质和粘合物质(Encrusting substance)(Encrusting substance)：半纤维素、木：半纤维素、木素素这三种组分在细胞壁中构成了绕细胞腔排这三种
20、组分在细胞壁中构成了绕细胞腔排列的相互间断的同心层。列的相互间断的同心层。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood29 Tianjin University of Science&Technology纤维素的分布纤维素的分布纤维素在原料纤维细胞壁中的分布具有纤维素在原料纤维细胞壁中的分布具有明显的规律性，明显的规律性，从从P P层到层到S3S3纤维素含量纤维素含量逐步升高，逐步升高，其中其中S2S2、S3S3层中含量最高。层中含量最高。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood30 Tia
21、njin University of Science&Technology半纤维素的分布半纤维素的分布 所有材种的所有材种的CMLCML半纤维素半纤维素的的浓度最高浓度最高；S S层层浓度最低浓度最低。见表见表1-311-31Chapter 1 The Composition and Structure of Wood31 Tianjin University of Science&Technology木素的分布木素的分布研究表明：研究表明：1 1、不同形态学区域中木素浓度的分布规律是：、不同形态学区域中木素浓度的分布规律是：CCCMLSCCCMLS3 3SS1 1SS2 2（见表（见表1 1
22、3232）CMLCML层，木素是无定型的；层，木素是无定型的；S S层中木素在微细层中木素在微细纤维周围顺着各层微细纤维的方向排列。纤维周围顺着各层微细纤维的方向排列。2 2、S S层木素层木素浓度低浓度低，但是由于占的体积分数，但是由于占的体积分数大，所以大，所以木素含量还是木素含量还是S S层最多层最多。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood32 Tianjin University of Science&TechnologyFergus,Procter,and Goring,1967SCCML木素分布图木素分布图在胞间层木素浓在胞间
23、层木素浓度为度为 70-80%70-80%在细胞壁中木素在细胞壁中木素浓度为浓度为 20-30%20-30%Chapter 1 The Composition and Structure of Wood33 Tianjin University of Science&Technology应压木和应拉木应压木和应拉木在树干横断面上如果髓心偏向一侧，且偏心部在树干横断面上如果髓心偏向一侧，且偏心部分的年轮特别宽，它在解剖构造和材性上与正分的年轮特别宽，它在解剖构造和材性上与正常材都有显著的差异，这部分木材称之为常材都有显著的差异，这部分木材称之为应力应力木木，应力木是木材中的一种缺陷。而在针叶树，
24、应力木是木材中的一种缺陷。而在针叶树材中产生于倾斜树干或枝桠的下侧，即在受压材中产生于倾斜树干或枝桠的下侧，即在受压的一侧，称为应压木（的一侧，称为应压木（compression wood）。）。而在阔叶树材中产生于倾斜树干或枝桠的上侧，而在阔叶树材中产生于倾斜树干或枝桠的上侧，即在受拉的一侧，称为应拉木（即在受拉的一侧，称为应拉木（tension wood）。）。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood34 Tianjin University of Science&TechnologyChapter 1 The Composition
25、and Structure of Wood35 Tianjin University of Science&Technology应压木化学组成应压木化学组成应压木化学组成中的应压木化学组成中的木质素木质素含量平均增含量平均增加加9%，纤维素纤维素含量平均减少含量平均减少10%，半半乳糖乳糖含量平均增加含量平均增加7.8%。由于应压木的。由于应压木的化学成分变化较大，所以它对制浆和造化学成分变化较大，所以它对制浆和造纸不太适宜，而且影响其产品的收缩和纸不太适宜，而且影响其产品的收缩和机械性质。机械性质。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood
26、36 Tianjin University of Science&Technology应拉木化学组成应拉木化学组成在应拉木的化学组成中，在应拉木的化学组成中，纤维素纤维素和灰分的含量和灰分的含量增加，增加，木质素木质素和半纤维素的含量减少。制浆实和半纤维素的含量减少。制浆实验证明，应拉木化学浆粕的产量高于正常材，验证明，应拉木化学浆粕的产量高于正常材，（因为其纤维素的相对含量较高）且机械分离（因为其纤维素的相对含量较高）且机械分离比正常材容易。（因为其木质素的相对含量较比正常材容易。（因为其木质素的相对含量较低，而木质素是一种结壳物质，在细胞壁中起低，而木质素是一种结壳物质，在细胞壁中起到了水
27、泥的作用）但这些浆粕生产的人造丝的到了水泥的作用）但这些浆粕生产的人造丝的强度低。（这与纤维的长度有关）强度低。（这与纤维的长度有关）Chapter 1 The Composition and Structure of Wood37 Tianjin University of Science&TechnologySevere compression wood on a cross-section surface of a leaning softwood stem in Scots pine(Pinus sylvestris)(Photo by Hannu Kalaja).Chapter 1
28、The Composition and Structure of Wood38 Tianjin University of Science&TechnologyAverage chemical composition of normal and reaction woods from Scots pine(Pinus sylvestris).Figures are given as a percentage of the wood dry solids.Chapter 1 The Composition and Structure of Wood39 Tianjin University of
29、 Science&TechnologyFigure 12.Average chemical composition of normal and tension woods from silver birch(Betula pendula).Figures are given as a percentage of the wood dry solids.Chapter 1 The Composition and Structure of Wood40 Tianjin University of Science&Technology四、禾本科纤维的微细结构四、禾本科纤维的微细结构1.1.微微细细结
30、结构构有有的的与与木木材材相相似似，如如麦麦草草、稻稻草草、田田青青等，其纤维细胞壁也可以分为等，其纤维细胞壁也可以分为MLML、P P、S S1 1、S S2 2、S S3 3。2.2.禾禾本本科科纤纤维维的的P P层层及及S S1 1层层的的厚厚度度占占细细胞胞壁壁厚厚度度的的比例较大比例较大。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood41 Tianjin University of Science&Technology3.3.S S1 1与与S S2 2层层之之间间连连接接紧紧密密，因因此此打打浆浆时时往往往往较较木木材材纤纤维维难于分
31、丝帚化。难于分丝帚化。4.4.部部分分纤纤维维的的次次生生壁壁中中层层（S S2 2）是是多多层层结结构构，5 5层层、7 7层层或或9 9层。层。5.5.宽宽层层的的染染色色较较浅浅，表表明明木木素素的的浓浓度度较较低低，窄窄层层的的染染色色较深，表明其中木素的浓度较高。较深，表明其中木素的浓度较高。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood42 Tianjin University of Science&TechnologyChapter 1 The Composition and Structure of Wood43 Tianjin
32、University of Science&Technology 我国造纸行业的现状和未来我国造纸行业的现状和未来l中国纸张生产和消费总量均居世界第一位。中国纸张生产和消费总量均居世界第一位。l2010年，生产总量年，生产总量9270万吨；消费总量万吨；消费总量9173万吨。万吨。l2015年，预计生产总量年，预计生产总量11600万吨；消费总量万吨；消费总量11470万吨，年增速万吨，年增速4.6%。（中国造纸工业中国造纸工业“十二五十二五”规划规划）Chapter 1 The Composition and Structure of Wood44 Tianjin University of
33、 Science&TechnologyChapter 1 The Composition and Structure of Wood45 Tianjin University of Science&Technology我国的制浆造纸植物纤维原料我国的制浆造纸植物纤维原料 我国制浆造纸植物纤维原料的现状我国制浆造纸植物纤维原料的现状原料不足（见前表）原料不足（见前表）草类原料丰富，木材原料缺乏草类原料丰富，木材原料缺乏Chapter 1 The Composition and Structure of Wood46 Tianjin University of Science&Technology
34、造纸植物纤维原料的未来造纸植物纤维原料的未来原料结构持续改善。加快形成符合我国国情的以废纸纤维、木纤维为主，合理利用非木纤维的造纸原料结构。2015年木浆、非木浆、废纸浆比重由2010年22.0%、15.3%、62.7%调整为24.3%、11.7%、64.0%。国内废纸浆比重由38.0%提高到41.0%，国产木浆比重由8.4%提高到10.3%。（中国造纸工业中国造纸工业“十十二五二五”规划规划）Chapter 1 The Composition and Structure of Wood47 Tianjin University of Science&TechnologyChapter 1 T
35、he Composition and Structure of Wood48 Tianjin University of Science&Technology改善我国制浆造纸植物纤维原料现状改善我国制浆造纸植物纤维原料现状的途径的途径加速发展造纸用速生材基地加速发展造纸用速生材基地大力发展废纸制浆造纸大力发展废纸制浆造纸合理利用原料合理利用原料扩大竹子等制浆造纸利用率扩大竹子等制浆造纸利用率Chapter 1 The Composition and Structure of Wood49 Tianjin University of Science&Technology国外的预测国外的预测美国锐
36、思林纸产品咨询公司（RISI）预测：全球木浆市场：“不管是现在或者是将来，中国市场的造纸产业的发展将有利地促进全球木浆的消耗量。预计，20112015年间，中国的木浆进口量将保持年均8.9%的增长率。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood50 Tianjin University of Science&Technology在未来的15年内，废纸浆在全球纤维原料中所占的比例将进一步提高。一方面，因为环境方面的压力，政府将进一步鼓励公司使用二次纤维；另一方面，脱墨及废纸制浆过程相关技术的进一步发展也使废纸制浆的质量进一步提高，上述两方面都将促
37、进废纸浆消费量的提高。预计，到2025年，废纸浆在原料配比中占到65%，比目前的56%有较大幅度的提高，2025年废纸浆消耗量将达到4亿吨。预计，20112025年，废纸浆消耗量将以年均4%的增速增长。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood51 Tianjin University of Science&Technology未来15年里废纸浆市场的增长将主要来源于发展中国家的促进作用，而中国市场的促进作用是决定性的。因为中国本国废纸浆市场难以满足需求，因此废纸浆消费市场的明显增长必然会带来进口市场的扩张。中国将继续保持废纸浆进口第一，预计
38、到2025年，中国废纸浆进口量将达到4500万吨，将比2010年的进口量提高3000万吨。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood52 Tianjin University of Science&Technology第一章思考题第一章思考题如何将造纸植物纤维原料进行分类？如何将造纸植物纤维原料进行分类？造造纸纸植植物物纤纤维维原原料料中中、主主要要化化学学组组成成是是什什么么？写写出出定定义义或概念。或概念。比较纤维素与半纤维素的异同。比较纤维素与半纤维素的异同。写写出出综综纤纤维维素素的的定定义义及及四四种种制制备备方方法法、并并指指出出
39、哪哪种种方方法法比较好？比较好？如何自综纤维素制备如何自综纤维素制备-纤维素？并指出其化学组成。纤维素？并指出其化学组成。Chapter 1 The Composition and Structure of Wood53 Tianjin University of Science&Technology如如何何自自漂漂白白化化学学浆浆制制备备-纤纤维维素素、-纤纤维维素素、-纤纤维维素？并指出各自的化学组成。素？并指出各自的化学组成。如何制备硝酸乙醇纤维素？如何制备硝酸乙醇纤维素？写写出出有有机机溶溶剂剂抽抽出出物物的的定定义义、并并指指出出常常用用的的有有机机溶溶剂剂有有哪哪些？些？写写出出针
40、针叶叶材材、阔阔叶叶材材各各自自主主要要的的的的有有机机溶溶剂剂抽抽出出物物及及存存在在的位置？的位置？Chapter 1 The Composition and Structure of Wood54 Tianjin University of Science&Technology写出植物纤维的定义。写出植物纤维的定义。试述死亡细胞壁的构造。试述死亡细胞壁的构造。叙述木材的粗视结构。叙述木材的粗视结构。植物细胞壁上纹孔的功能及种类？植物细胞壁上纹孔的功能及种类？如何将木材植物细胞进行分类？如何将木材植物细胞进行分类？叙叙述述针针叶叶材材的的生生物物结结构构、并并指指出出其其含含有有哪哪几几种
41、种细细胞胞及及含量百分比？含量百分比？Chapter 1 The Composition and Structure of Wood55 Tianjin University of Science&Technology叙叙述述阔阔叶叶材材的的生生物物结结构构、并并指指出出其其含含有有哪哪几几种种细细胞胞及及含含量量百分比？百分比？叙叙述述草草类类原原料料的的生生物物结结构构、并并指指出出其其含含有有哪哪几几种种细细胞胞及及含含量百分比？量百分比？从从细细胞胞形形态态的的角角度度分分析析、哪哪种种植植物物纤纤维维原原料料为为造造纸纸的的优优质质原料？原料？解解释释下下列列名名词词概概念念并并写写出出数数学学表表达达式式：长长宽宽比比、壁壁腔腔比比、纤维数量平均长、纤维数量平均长、纤维质量平均纤维质量平均长、纤维长度分布频率。长、纤维长度分布频率。叙述纤维形态学指标与纸张性能之间的关系。叙述纤维形态学指标与纸张性能之间的关系。