植物纤维化学

杨冬梅

目录

  • 1 前言
    • 1.1 绪论
  • 2 植物纤维原料的生物结构及化学成分
    • 2.1 植物纤维原料的分类
    • 2.2 植物纤维原料的化学组成
      • 2.2.1 随堂测验1
      • 2.2.2 随堂测验2
    • 2.3 木材纤维原料的生物结构及细胞形态
    • 2.4 阔叶材的显微结构
      • 2.4.1 随堂测验3
    • 2.5 非木材纤维原料的生物结构及细胞形态
    • 2.6 纤维形态参数及对纸张的强度的影响
      • 2.6.1 随堂测验4
    • 2.7 植物纤维细胞壁的微细结构
      • 2.7.1 随堂测验5
    • 2.8 课后习题
    • 2.9 木材显微结构分析作业
    • 2.10 第一章 PPT
  • 3 木素
    • 3.1 概述
      • 3.1.1 课堂作业
    • 3.2 木素的分离与精制
    • 3.3 木素的定量方法
      • 3.3.1 随堂测验6
    • 3.4 木素的化学结构及其研究方法
      • 3.4.1 随堂测验7
    • 3.5 木素的物理性质
    • 3.6 木素的化学性质1
    • 3.7 木素的化学性质2
      • 3.7.1 随堂测验8
    • 3.8 木素的化学性质3
    • 3.9 木素的综合利用
      • 3.9.1 木素的综合利用
      • 3.9.2 翻转课堂
    • 3.10 课后习题
    • 3.11 第二章 PPT
  • 4 纤维素
    • 4.1 概述
    • 4.2 纤维素的分子结构
      • 4.2.1 随堂测验9
    • 4.3 纤维素的聚集态结构
      • 4.3.1 随堂测验10
    • 4.4 纤维素的物理和物理化学性质
      • 4.4.1 随堂测验 11
    • 4.5 纤维素的相对分子量和聚合度
      • 4.5.1 随堂测验12
    • 4.6 纤维素的酸水解降解反应
    • 4.7 纤维素的碱性降解和氧化降解
      • 4.7.1 随堂测验13
    • 4.8 纤维素纤维的化学反应与化学改性
      • 4.8.1 随堂测验14
    • 4.9 章节习题
    • 4.10 纤维素 PPT
  • 5 半纤维素
    • 5.1 半纤维素的种类及含量
    • 5.2 半纤维素的化学结构
    • 5.3 半纤维素的分离与提取
    • 5.4 半纤维素的聚集态结构和物理性质
    • 5.5 半纤维素的化学性质
    • 5.6 半纤维素的利用
    • 5.7 章节习题
    • 5.8 半纤维素PPT
  • 6 实验课程内容
    • 6.1 实验一  造纸原料水分含量的测定
      • 6.1.1 视频
      • 6.1.2 课堂作业
    • 6.2 实验二 造纸原料苯-醇抽提物含量的测定
      • 6.2.1 视频
      • 6.2.2 课堂作业
    • 6.3 实验三 酸不溶木素含量的测定
      • 6.3.1 视频
    • 6.4 实验四 综纤维素含量的测定
      • 6.4.1 视频
    • 6.5 实验五 聚戊糖含量的测定
实验三 酸不溶木素含量的测定

木素是造纸植物纤维原料中的主要化学成分之一,它是由苯丙烷结构单元构成的具有三度空间结构的天然芳香族高分子化合物。不同植物原料种类,木素的含量各不相同,一般针叶材的木素含量为25~35%,阔叶材的木素含量为18~22%,禾本科的木素含量为16~25%。

在制浆造纸过程中,不论采用何种制浆和漂白方法,大都伴随着木素的脱除和木素化学结构的变化。因此,木素含量的测定是造纸工业重要的分析项目之一。木素含量的测定,对于制浆造纸原料的评价和制浆造纸工艺过程的优化及机理研究都具有重要的意义。

依据木素在强无机酸中的不溶解特性,采取一定浓度的无机酸(如硫酸)处理试样,可以直接测定出酸不溶木索的含量。通常采用72%(质量分数)硫酸法,测定结果也称为克拉森(Klason)木素含量。造纸原料酸不溶木素含量的测定方法参见GB/T 2677.8-1994,适合于各种木材和非木材植物纤维原料的测定。 

1. 测定原理

用浓度为72%的硫酸处理无抽提物试样(经苯-醇混合液抽提后的试样,下同),碳水化合物被水解成单糖而溶出,剩余的残渣经恒重后对绝干原料的百分比,即为该原料的酸不溶木素的含量。

试样的酸水解分两步进行。第一步浓硫酸处理:用72%(质量分数)硫酸、18~20保温一定时间(木材原料2 h,非木材原料2.5 h)。其作用是使聚糖部分水解成糊精状。第二步稀硫酸水解:将酸稀释成3%,煮沸4 h,使聚糖完全水解成单糖并溶出。

在处理过程中,溶解在酸液中的那部分木素称为酸溶木素。其具体测定方法参见“GB/T 10337-2008”。 

2. 仪器和试剂

恒温水浴锅、锥形瓶(容量250 mL)、具有磨口玻塞锥形瓶(容量1000 mL)、1G2玻璃滤器、广泛pH试纸、可调温电炉、比重计。

10%的氯化钡溶液、72±0.1%硫酸溶液。 

3. 测定步骤

打开1 g风干后的无抽提物试样滤纸包,用洁净毛笔仔细将其刷入容量250 mL具有磨口玻塞的锥形瓶中。加入预先冷至12~15 的72%硫酸15 mL,塞紧瓶塞,轻摇1 min,使试样全部为酸所浸渍。然后将锥形瓶置入预先调节温度为18~20的恒温水浴中,并在此温度下保温一定时间,并经常摇荡锥形瓶内容物。

到达规定时间后,将锥形瓶内容物移入容量1000 mL锥形瓶中,用蒸馏水漂洗锥形瓶,将所有残渣全部洗入1000 mL锥形瓶中,所有洗液亦倾入该锥形瓶中,然后加水稀释至酸的浓度为3%。注意:加入蒸馏水的量(包括吹洗所用水在内)总体积为560 mL。(准确数字应为563 mL)

将1000 mL锥形瓶装上回流冷凝器,或不用冷凝器,加水保持一定体积,煮沸4 h,静置,以便不溶物沉积下来,木材原料可用已恒重的玻璃滤器过滤(非木材原料须使用已恒重的紧密定量滤纸过滤—滤纸应预先用3%的硫酸溶液洗涤3~4次,再用蒸馏水洗涤至洗液不呈酸性反应,再烘干至恒重),再用热蒸馏水洗涤,至洗涤用BaCl2溶液试之,不出现混浊,并用pH试纸检查滤纸边缘不呈酸性为止。然后将滤纸连同残渣移入一称量瓶中,置入105±3烘箱中烘干至恒重。即得木素重。

如为非木材原料,则尚须测定木素中所含灰分。为此可将已烘干至恒重的带有残渣的滤纸移入已恒重的瓷坩埚中,先于较低温度灼烧至滤纸全部灰化,再置入高温炉中,在不超过575±25的温度下灼烧至灰渣中无黑色碳素,并恒重为止,这样便可以确定灰分的百分数。 

4. 结果计算

木材原料中酸不溶木素含量x1,以%表示,按下式计算:                 

式中  m1——烘干后的木素残渣质量,g;

       m——所称1g试样的质量,g。

 w ——试样水分,%。

非木材原料中木素含量x2,以%表示,按下式计算:                  

式中  m——所称1 g试样的质量,g;

      m1——烘干后的木素残渣质量,g;

      m2——灼烧后的灰分质量,g。

w ——试样水分,%。   

同时进行两次测定,取其算术平均值作为测定结果,要求准确到小数点后第二位。两次测定计算值间误差不应超过0.2%。 

5.注意事项

(1)用72%硫酸处理试样时,必须按规定严格控制水解的温度、酸的浓度和水解时间,以免产生较大误差。

(2)当酸的浓度稀释至3%后,加热煮沸,开始沸腾时要调节电炉使温度不要太高,以免溶液从瓶口溢出,造成木素损失,待泡沫消除后再调整温度至溶液正常沸腾状态(沸腾不要太激烈,以调节到有小气泡从瓶底连续冒出为度),在沸腾4 h中应尽量保持酸的浓度不变。

(3)木素残渣过滤较困难,过滤前要静置澄清好,先将滤液倒出过滤,尽量不要把木素沉淀倒出,加清水洗涤,澄清后再如上法过滤,重复数次,到木素近于洗净时再把木素转移到滤器上,再加水洗涤,直至洗净为止。