纤维基材料 生物质材料及应用

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1、生物质材料第二章纤维素基材料纤维素是构成植物细胞的基本成分，它存在于所有植物当中，是植物界中一种最丰富的可再生的有机资源。地球上由植物产生的纤维素总量达到2600亿吨，在自然界构成有机体的碳元素中，纤维素中碳就占40%~50%。纤维素是植物纤维原料的主要化学组成之一，它与半纤维素、木素一起，构成植物体的支持骨架。在一部分藻类细胞壁和动物中也发现有纤维素的存在2.1纤维素的存在与获取纤维素在纺织工业、造纸工业、木材工业等领域有着多种重要的用途。“纤维素”一词在不同领域使用时，其意义不同。学术上的纤维素：特指常

2、温下不溶于水、稀酸、稀碱的D－葡糖糖基以1,4－苷键连接而成的线型高分子聚合物。工业上的纤维素：指植物原料经过特定的纤维化工程所得到的剩余物，即纸浆，其中含有一些半纤维素和木素。纤维原料不同，纤维素含量也不同，如表所示：纤维素含量：棉>麻>木材（针叶木、阔叶木）>禾本科植物种类纤维素含量(%)棉花95-99苧麻80-90竹40-50木材40-50树皮20-30禾秆40-50苔藓25-30目前工业上获得纤维素的原料主要是棉花和纸浆。将棉花经过稀碱的蒸煮处理，可以使其纤维素含量在95%以上。造纸过程就是结合机械

3、方法、化学方法或者两者结合的方法，尽量除去木材中的木质素，再经漂白获得纸浆，最后将悬浮在水中的纸浆经过各种加工结合成合乎各种要求的纸页。造纸用纸浆的主要成分是纤维素和半纤维素，也被称之为综纤维素。与纤维素有关的几个概念1、综纤维素：指植物纤维原料中的全部碳水化合物，即纤维素与半纤维素之和。故又称全纤维素（Holocellulose）制样步骤：取样原料粉碎40目-60目之间的试样有机溶剂抽提无酯试料除木素各种方法制纤维素综纤维素制备四法:⑴、氯化法：(1937年Ritter（里特）提出)⑵、亚氯酸纳法（194

4、2年Jayme(杰姆)提出）⑶、二氧化氯法：（1921年Schmitlt(施密特)提出）⑷、过醋酸法注意:部分综纤维素在木素溶出的同时亦被溶出，为保留全部综纤维素需保留部分木素。（也就是说：为了保护纤维素和半纤维素不受损伤，通常木素不能全部除去，而保留一部分，所以综纤维素+测定木素值大于无酯试料质量。）实验室常用亚硫酸钠法。2、克-贝纤维素(C-B纤维素)(Cross和Bevan提出)3、硝酸乙醇法纤维素说明：a.同一原料不同方法所获得的纤维素比较：综纤维素>克贝纤维素>硝酸乙醇法纤维素（含0.1-0.3%

5、木素，纤维素发生水解降解半纤维素亦有溶出）大部分半纤维素水解）b.制备纤维素时，制备方法、制备条件不同，半纤维素、木素溶出程度不同，纤维素降解程度不同。因而会得到各种“纤维素”，因此在表明分离得到的纤维素时除了给出量值外还必须给出分离方法。4、α,β,γ-纤维素，工业半纤维素高度降解的纤维素及半纤维素高度降解的半纤维素说明：习惯上将β-与γ-纤维素之和称为工业半纤维素，以与天然半纤维素区别。工业半纤维素包括：漂白浆中残留的天然半纤维素和制浆过程中纤维素的降解产物。化学浆中的α-纤维素含量对纤维素衍生物和纸的

6、改性处理等生产过程及产品质量影响很大。2.2纤维素的结构与性质2.2.1纤维素的结构一、纤维素的化学结构纤维素是β-D葡萄糖基通过1,4－苷键连接而成的线型高分子化合物。D-葡萄糖直链式结构纤维素大分子化学结构特点：1、纤维素大分子的基本结构单元是D-吡喃式葡萄糖基（C6H10O5)D-葡萄糖在水溶液中存在开链式和氧环式的动态平衡α-D-葡萄糖开链式结构β-D-葡萄糖对精制棉花纤维素进行化学分析，测得纤维素的元素组成为：C：44.0％，H；6.2％，O：49.4％，其基环分子量C6H10O5＝162.192

7、2年Irvine和Hirst将棉花醋酸化，转变为纤维素醋酸酯，然后甲醇解得95.5％的甲基-α-D-葡萄糖和甲基β-D-葡萄糖的混合物，产物不含多戊糖，由此证明纯的纤维素只含葡萄糖基。纤维素分子为极长的链分子，聚合度的数值从几百到几千甚至上万，随原料种类、制备方法及测定方法而异。2、纤维素大分子的葡萄糖基间的连接都是β-苷键连接将纤维素试样甲基化，然后水解为各个基本结构单元，在水解分离出的单元中，甲基化的位置是纤维素分子内游离羟基的位置，在此条件下得到2,3,6-三氧甲基D葡萄糖。所以，纤维素葡萄糖基环中游

8、离羟基是处于2,3,6位，因此，1,4,5位是由化学键连接的。进一步通过酸水解试验得知相邻单元之间的联结为1-4连接。由于苷键的存在，使纤维素对水解作用的稳定性降低，在酸或高温下与水作用，可使苷键破裂，纤维素大分子降解。β-苷键在酸中的水解速度比α-苷键小，约为其1／3。3、纤维素大分子每个基环均具有三个醇羟基将纤维素试样甲基化后水解为基本单元，得到2,3,6-三氧甲基D－葡萄糖。由此证明纤维素试样中游离羟基的位