第
五
章
木
材
化
学
性
质
重点介绍木材三大成分木质素, 纤
维素及半纤维素的的结构, 物理性质,
化学性质 。 并简要介绍木材中的抽提物,
木材的酸碱性质 。
目 录
5.1 木材的化学组成
5.2 木质素
5.3 纤维素
5.4 半纤维素
5.5 木材抽提物
5.6 木材的酸碱性质
5.1 木材的化学组成
木材化学成分，有细胞壁物质和非细胞壁物质之分，或
称为主要化学成分和少量化学成分。
图 5-1 木材的化学组成
木材
木质素
碳水化合物
半纤维素
（水解单糖 — D-葡萄糖,D-半乳糖、
D-甘露糖,D-木糖,L-阿拉伯糖）
纤维素
（ 水解单糖 — D-葡萄糖 ）
细胞壁
主要组分
少量组分
无机物 （ 灰分 ）
有机物 （ 芳香族, 萜烯类, 脂肪族化合物 ）
5.1.1 木材的主要化学成分
木材主要化学成分是构成木材细胞壁和胞间层的物质,
由纤维素, 半纤维素和木质素三种高分子化合物组成, 一
般总量占木材的 90%以上, 热带木材中高聚物含量略低, 在
高聚物中纤维素和半纤维素组成的多糖含量居多, 占木材
的 65%-75%。
Wordrop提出：
纤维素－微骨架结构；
半纤维素－填充物质；
木质素－结壳物质 。
1.纤维素
2.半纤维素
3.木素
1
2
3
5.1.1.1 纤维素（ cellulose）
纤维素 是由 D-葡萄糖基构成的直链状高分子
化合物 。 纤维素大分子中的 D-葡萄糖基之间
按着纤维素二糖连结的方式联结 。 纤维素二
糖的 C1位上保持着半缩醛的形式, 有还原性,
而在 C4上留有一个自由羟基, 纤维素具有特
殊的 x射线图 。 它是不溶于水的均一聚糖 。
纤维素的化学结构 是 1,4-β -D-吡喃式
失水聚葡萄糖组成 。 但在自然界中它的性质
和功能是通过纤维素分子聚集体所形成的结
晶态和细纤维结构决定的 。
1,纤维素微纤丝
2,葡萄糖单体链
3,半纤维素
4,中性果胶
5,酸性的果胶
6,糖原蛋白质
5.1.1.2 半纤维素 (hemicellulose)
半纤维素是除纤维素和果胶以外的植物细胞壁
聚糖，与纤维素不同，半纤维素是两种或两种以上
单糖组成的不均一聚糖，分子量较低，聚合度小，
大多带有支链。
构成半纤维素的主链的主要单糖是：木糖、甘
露糖和葡萄糖，构成半纤维素的支链的主要单糖是：
半乳糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖、岩藻糖、鼠李
糖、葡萄糖醛酸和半乳糖 醛酸等。
5.1.1.3 木质素 (lignin)
木质素是一种天然的高分子聚合物 。 是由 苯基丙烷结构单
元 通过醚键和碳 -碳键联接而成, 具有三维结构的芳香族高分
子化合物 。
苯基丙烷单元分成三类：愈疮木基丙烷 （ G）, 紫丁香基
丙烷 （ S） 和对羟基丙烷 （ H） 。
针叶树材和阔叶树材中纤维素, 半纤维素和木质素的含量
见表 。
一般针叶树材中纤维
素和半纤维素的含量低于
阔叶树材中的含量, 但是
针叶树材中木质素含量高
于阔叶树材中木质素的含
量 。
主要成分 针叶树材 阔叶树材
纤维素
半纤维素
木质素
42± 2
27± 2
28± 3
45± 2
30± 5
20± 4
1.中间薄层
2.初生壁
3.原生质膜
4.果胶
5.纤维素
6.半纤维素
1
2
1
2
3
4
5
6
5.1.2 木材的 抽提物
抽提物：木材的少量化学成分是一组不构成细胞壁, 胞间层
的游离的低分子化合物, 可被极性和非极性有机溶剂, 水
蒸汽或水提取, 所以称抽提物或浸出物 。 一般约占绝干木
材的 2%-5%。
木材抽提物种类庞多, 因树木的种类不同而差异很大,
有些抽提物是各科, 属, 亚属等特有的化学成分, 可以作
为某一特定树种分类的化学依据 。
木材抽提物化学也是植物化学研究领域的一个分支 。
木材抽提物包括的化学成分组成复杂, 经鉴定,
已有近 800种化合物存在于木材抽提物中, 主要有：
（ 1） 脂肪族化合物 包括饱和脂肪酸, 不饱和脂肪酸,
脂肪, 蜡, 低聚糖, 果胶质, 淀粉, 蛋白质 。
（ 2） 萜烯及萜烯类化合物 包括单萜 （ 松节油等 ）,
倍半萜, 树脂酸, 植物甾醇等 。
（ 3） 芳香族化合物 包括黄酮类化合物, 单宁, 芪等 。
5.1.3 树木的化学组成
5.1.3.1 木质部的化学组成差异
? 树种与产地,由于树种不同, 木材的化学组成有很大差别,
如针叶树材与阔叶树材 。 同一种树木, 产地和生长环境不
同, 化学组成也有差异 。
? 边材与心材,在针叶树材中, 心材比边材含有较多的有机
溶剂抽提物, 较少的木质素与纤维素 。 在阔叶树材中, 心
材与边材差异较小 。 无论是针叶树材或阔叶树材, 边材中
乙酰基的含量较心材高 。
? 早材与晚材,由于晚材管胞的细胞壁厚度大于早材的细胞
壁, 并且晚材胞间层占的比例较少, 细胞壁成分的大多数
为纤维素, 胞间层物质大多数为木质素, 所以, 晚材比早
材常含有较高的纤维素与较低的木质素 。
? 在树干的不同高度处, 木材的化学组成也略有差异 。
5.1.3.2 树干与树枝化学组成的区别
树干与树枝化学组成差别较大, 不论是针叶树材还是阔叶
树材, 树枝的纤维素含量较少, 木质素含量较多, 聚戊糖, 聚
甘露糖较少, 热水抽提物含量较多 。
几个树种树干与树枝化学组成分析（ %）
化学组成
云 杉 松 青 杨
树干 树枝 树干 树枝 树干 树枝
纤维素
木质素
聚戊糖
聚甘露糖
聚半乳糖
乙醚抽提
热水抽提
灰分
58.8-59.3
28
10.5
7.6
2.6
1.0
1.7
0.2
44.8
34.3
12.8
3.7
3.0
1.3
6.6
0.35
56.5-57.6
27
10.5
7
1.4
4.5
2.5
0.2
48.2
27.4
13.1
4.8
1.5
3.3
3.4
0.37
52.2-52
21.2
22.8
—
0.6
1.5
2.6
0.26
43.9
25, 89
35.1
—
0.5
2.5
4.9
0.33
5.1.3.3 树皮的化学组成
树皮约占全树的 10%，树皮可分为外皮和内皮（韧皮），
其化学组成也有不同。
一些树木的树皮的化学组成（ %）
化学组成
松 云杉 桦木 青杨
韧 皮 外 皮 韧 皮 外 皮 韧 皮 外 皮 韧 皮
灰分 2.19 1.39 2.33 2.31 2.42 0.52 2.73
水抽出物 21.82 15.09 33.8 28.63 21.8 4.49 31.81
乙醇抽出物 3.85 3.48 1.7 2.62 13.1 24.78 7.5
甲氧基 （ 包括木质素内
的 ）
1.94 3.75 1.96 2.92 3.2 2.59 5.15
挥发酸 1.73 1.25 1.11 0.69 0.77 1.1 1.6
纤维素 19.36 17.7 25.23 16.4 19.3 3.85 10.9
聚已糖 16.3 6.0 9.3 7.7 5.1 - 7.0
聚糖醛酸 6.04 21.7 5.98 3.95 7.35 2.2 3.56
聚戊糖 12.24 6.76 9.65 7.10 12.5 4.8 11.8
木醛质 0 2.85 0 2.85 0 34.4 0.91
木质素 17.2 43.62 15.57 27.44 24.9 - 27.7
5.2 木质素
5.2.1 概述, 5.2.1.1 木质素的存在
木材中除去纤维素、半纤维素和抽提物后，剩余的细胞壁物
质为木质素，木质素是针叶树类、阔叶树类和草类植物的基本化
学组成之一。
木质素与纤维素和半纤维素是构成植物骨架的主要成分, 存
在于高等植物之中 。 地球上木质素的数量仅次于纤维素, 估计每
年全世界由植物生长可产生 1500亿吨木质素 。 我国森林资源不是
很丰富, 农作物秸杆每年有 5-6亿吨 。
木质素主要存在于木质化植物的细胞壁中, 强化植物组织,
其化学结构是苯丙烷类结构单元组成的复杂多酚类高分子化合物,
含有多种活性官能团 。
木质素一般可分为三种：阔叶树木质素, 针叶树木质素和草
类木质素 。 在木本植物中, 木质素含量为 20%-35%,在草本植物
中为 15%-25%。
5.2.1.2 木质素的分布
木质素在木材中的分布不均匀, 一般采集部
位愈高, 木质素含量愈低 。 木质素在植物结构中的
分布是有一定规律的, 胞间层的木质素浓度最高,
细胞内部浓度则减小, 次生壁内层又增高, 如用紫
外显微分光法测定花旗松的胞间层木质素为
60%~90%,细胞腔附近为 10%~20%。
5.2.2 木质素的分离
在植物体内的木质素与分离后的木质素, 在结构上是
有差别的, 而且分离方法不同, 其结构也有变化, 因此将
未分离的木质素称作原本木质素 。
在工业上一般是利用纤维素时将木质素分离提取出来 。
木质素的分离方法, 按其基本原理可分为两类：
? 将植物中木质素以外的成分溶解除去, 木质素作为不溶性
成分被过滤分离出来；
? 将木质素作为可溶性成分溶解, 纤维素等其他成分不溶解
进行分离 。 如表 5-4所示 。
5.2.2.1 木质素作为不溶残子渣而分离的方法
这类方法是将木材中的多糖类物质溶出, 所得木质素是
不溶木质素 。
作为前一类分离方法的原理是木材的纤维素和半纤维素
的酸水解, 氧化降解或络合溶解, 木质素作为水解残渣被分
离 。 这些硫酸木质素, 盐酸木质素, 铜氨木质素和高碘酸盐
木质素与天然木质素相比, 木质素的结构已发生了很大的变
化, 因为在分离过程中发生高分子的解聚和缩合反应 。 但是,
其中的硫酸木质素 （ Klason木质素 ） 是测定木质素含量的直
接可靠方法 。
5.2.2.2 木质素被溶出而分离的方法
有机溶剂 无机溶剂
乙醇
酚二氧六环
醋酸
酸性条件
氢氧化钠 硫化钠
亚硫酸钠
造纸
的制
浆过
程
磨木木质素的制备方法
用有机溶剂
抽提后的试样
试样
悬浮
甲苯等非
润胀试剂 振动球磨机
磨碎 48h或更长时间
细
磨
后
的
木
粉
二氧六环
溶液
二氧六环 ∶ 水
=9∶ 1或 8∶ 2
提取
粗
磨
木
木
质
素
90%的
醋酸
水
沉淀提纯
1,2-二氯
乙烷 -乙醇溶解 乙醚
沉淀 干燥
洗涤
磨木木质素
? 这种分离方法的缺点是, 只能得到部分木质素, 最大
得率约木材天然存在木质素的 25%。
? 在用振动球磨机中磨碎 48h后, 用对纤维素和半纤维素
具有高活力的酶制剂处理, 然后分别用 96%二氧六环含
水溶液和 50%二氧六环含水溶液提取, 得到纤维素酶木
质素 (CEL)。
? 磨木木质素 （ MWL） 和纤维素酶木质素 (CEL)是目前分
离方法得到的最接近天然木质素的制备物, 适宜于做
木质素结构研究试样 。
? 但与原本木质素并不相同, 因为在分离中木质素大分
子已经部分发生碎片化, 分离的仍是部分木质素, 少
量化学反应使木质素中游离酚羟基和 α -羰基增加等 。
5.2.3 木质素的结构
木质素是非常复杂的天然聚合物, 其化学结构与纤维素
和蛋白质相比, 缺少重复单元间的规律性和有序性 。
研究表明, 木质素是木质素的结构单元 （ 木质素的先
驱体 ） 按照连续脱氢聚合作用机理, 用几种形式相互无规则
地连接起来, 形成一个三维网状的聚酚化合物 。 因此它不能
象纤维素等有规则天然聚合物可用化学式来表示, 木质素的
结构是一种物质的结构的模型, 是按测定结果平均出来的假
定分子结构 。 这些测定包括：元素组成, 结构单元和比例,
官能团, 连接方式, 从而推得结构模型 。
5.2.3.1 木质素的元素组成
木质素的基本结构单元是苯丙烷, 苯环上具有甲氧基 。
因此, 表示元素分析结果以构成苯丙烷结构单元的碳架 C6-C3
（ 即 C9） 作为基本的单位来表示 。 木质素的元素组成随植物
品种, 产地和分离方法的不同而不同 。
三个树种磨木木质素 （ MWL） 的元素组成
磨木木
质素 云杉 山毛榉 桦木
元素组
成
C9H8.82O2.27(O
CH3)0.95
C9H7.10O2.41(O
CH3)1.36
C9H9.05O2.77(O
CH3)1.58
由于甲氧基是木质素结构中特征官能团之一, 并且比
较稳定, 在表示木质素的元素组成时往往列出 。 不同产地
和分离过程的差异, 出自不同文献, 同一种木质素的元素
组成有差异 。
5.2.3.2 结构单元
苯丙烷作为木质素的主体结构单元, 共有三种基本结构, 即
愈疮木基结构, 紫丁香基结构 和 对羟苯基结构 。C
C
C
O C H 3
O H
C
C
C
O C H 3
O H
C
C
C
O H
H 3 C O
愈疮木基丙烷
（ G）
紫丁香基丙烷
（ S）
对羟苯基丙烷
（ H）
木质素结构单元（三种类型）
针叶树木质素以愈创木基结构单元为主, 紫丁香基结构单元
和对羟苯基结构单元极少 。
阔叶树木质素以紫丁香基结构单元和愈创木基结构单元为主,
含有少量的对羟苯基结构单元, 草类木质素与阔叶树木质素的结
构单元组成相似 。
结构单元之间的连接方式主要是醚键, 约占 2/3~3/4,还有
碳键约占 1/4~1/3,各种键型如图 5-3所示 。 其比例列于表 5-6。
木质素结构单元的连接方式与比例
键 型 联接方式
100C9中含有的个数
名 称
云杉木质素 山毛榉木质素
β-O-4型 β-烷基芳香醚键 49~51（ 48） 62~65 愈创木基甘油 -β-芳基醚
α-O-4型 α-烷基芳香醚键 6~8 6 愈创木基甘油 -α-芳基醚
4-O-5型 二芳基 （ 联苯 ） 醚键 3.5~4 1.5 愈创木基芳基醚
α-O-γ型 二烷基醚键 0~6 4 松脂酚
β-5型 α-烷基芳基醚
β-碳键
9~12 6 苯基香豆满
5-5型 二苯基 （ 联苯 ） 碳键 9.5~11 2.3 二联苯愈创木基丙烷
β-β型 β-二烷基碳键 2 5 二芳基 （ 愈创木基 ） 联丙烷
β-1型 β-芳基碳键 2（ 7） 15 愈创木基 -β-芳基丙烷
5.2.3.3 官能团
木质素结构中有复杂的官能团, 其分布与种类有关, 也
与提取分离方法有关 。
（ 1） 甲氧基 甲氧机含量因木质素的来源而异, 一般针叶树
材木质素中含 13%~16%,阔叶树材木质素中含 17%~23%。 阔叶
树材木质素中甲氧基含量高于针叶树材, 因为阔叶树材木质
素既存在愈疮木基结构单元, 也存在紫丁香基节单元 。
（ 2） 羟基 木质素结构中存在较多的羟基, 以醇羟基和酚羟
基两种形式存在 。 木质素结构中的酚羟基是一个十分重要的
结构参数, 酚羟基直接影响木质素的化学性质和物理性质,
如木质素的醚化, 酯化和缩合的程度, 溶解性能等 。
磨木木质素中羟基总数是 1.00~1.25/OCH3,其中酚羟
基是 0.24~0.335/OCH3,这些酚羟基又分为四种类型：非缩
合型, 缩合型, 侧链位有羰基的共轭型和肉桂醛型的共轭型 。
木质素中游离羟基的含量可采用乙酰化方法测定, 酚羟基的
含量可采用气相色谱法测定 。
（ 3） 羰基 木质素结构中存在约 6种羰基, 其
定量通常用盐酸羟胺法, 与芳香环共轭的羰
基, 可用紫外光谱法定量测定, 磨木木质素
的羰基含量为 0.18-0.20/OCH3。
（ 4） 羧基 一般认为木质素中是不存在羧基的,
但在磨木木质素中存在 0.01-0.02/OCH3。
5.2.3.4 木质素与糖类连接
在植物体内, 木质素总是与纤维素及半纤维素共存的,
甚至还有一些寡糖存在, 其共存方式影响组分分离和材料
利用 。 长期研究表明, 木质素的部分结构单元与半纤维素
中的某些糖基通过化学键连接在一起, 形成木质素 -糖类
复合体, 称为 LCC复合体 。
与木质素缩合的糖基有如下几种：呋喃式阿拉伯糖基,
吡喃式木糖基, 吡喃式半乳糖基和吡喃式糖醛酸基 。 木质
素与糖类的连接方式可分为糖苷键连接, 缩醛键连接, 酯
键连接和醚键连接, 糖苷键连接所占比例较大 。
5.2.3.5 木质素的结构模型
木质素是聚酚类的三维网状高分子化合物, 不同于蛋
白质, 多糖和核酸等天然高分子, 后者的有规结构可用化
学式来表示, 而木质素只能用结构模型来表达, 这种结构
模型所描述的也只是木质素大分子切出的可代表平均分子
的一部分, 或一种假定结构 。
由于木质素的结构非常复杂, 虽然从 19世纪后期就
开始研究, 但至今还没有将各种木质素的详细结构研究清
楚, 近 20年来已提出了十几种结构模型, 尤其是通过计算
机的辅助分析, 提出的结构模型更趋合理 。
5.2.4 木质素的物理性质
5.2.4.1 一般物理性质
（ 1） 颜色 原本木质素是一种白色或接近无色的物质, 我们
所见到木质素的颜色, 是在分离, 制备过程中造成的 。 随
着分离, 制备方法的不同, 呈现出深, 浅不同的颜色,
Brauns云杉木质素是浅奶油色, 酸木质素, 铜铵木质素,
过碘酸盐木质素的颜色较深, 在浅黄褐色到深褐色之间 。
（ 2） 相对密度 木质素的相对密度大约在 1.35~1.50之间 。
测定时用不同的液体, 得到的数据略有不同, 如用水
测定, 松木硫酸木质素的相对密度是 1.451,用苯测定是
1.436。 云杉二氧六环木质素用水作比重液, 在 20℃ 时测定
为 1.38,用二氧六环作比重液测定为 1.391。
制备方法不同的木质素, 相对密度也不同, 如松木乙
二醇木质素是 1.362,而松木盐酸木质素是 1.348。
（ 3） 光学性质 木质素结构中没有不对称碳, 所以没有光学
活性, 云杉铜胺木质素的折光率为 1.61,表明木质素的芳
香族性质 。
（ 4） 燃烧热 木质素的燃烧热值是比较高的, 如无灰份的云
杉盐酸木质素的燃烧热是 110kJ/g,硫酸木质素的燃烧热是
109.6kJ/g。
（ 5） 溶解度 木质素是一种聚集体, 结构中存在许多极性基
团, 尤其是较多的羟基, 造成了很强的分子内和分子间的
氢键, 因此原本木质素是不溶于任何溶剂的 。
分离木质素因发生了缩合或降解, 许多物理性质改变了,
溶解性质也随之改变, 从而有可溶性木质素和不溶性木质
素之分 。 酚羟基和醇羟基的存在, 使木质素能在浓的强碱
溶液中溶解 。 碱木质素可溶于稀碱或中性的极性溶剂中,
木质素磺酸盐可溶于水中, 形成胶体溶液 。
5.2.4.2 热性质
除了酸木质素和铜胺木质素外, 原本木质素和大多数分
离木质素是一种热塑性高分子物质, 无确定的熔点, 具有
玻璃态转化温度 （ Tg） 或转化点, 而且较高 。
? 5.2.4.3木素的摩尔氏反应与木材的颜色
? 1,木素的颜色反应可作为鉴定木材组织中或机械纸浆中有无木素
存在的参考依据 。
? 2,用摩尔氏反应来区别针, 阔叶树材 。 用 1%高锰酸钾溶液处理木
材薄片, 浸 15-20分钟, 用蒸馏水冲洗 10分钟, 最后放入氢氧化氨
溶液中观察 。
? 针叶树材显黄色, 阔叶树材显红色 。
? 3,木材的材色是由于木素中含有发色基及助色基, 以及木材提炼
物中含有色素, 单宁和树脂类等物质而引起的 。
5.2.5 木素的化学反应简述
木素的化学反应不如纤维素了解的深入, 但有些反应
成为生产工艺的基础, 下面介绍几种与木材加工有密切关
系的化学反应：
1,碱对木素的作用
用碱法蒸煮木材, 脱木素, 木素与碱发生化学作用,
生成碱木素, 碱木素可作作乳化稳定剂 。
2,木素的氯化
氯易与木素反应, 木素氯化后, 易溶于碱液中 。 生产
中用氯化法生产纸浆和氯化漂白纸浆, 在实验室可制备综
纤维素 。
3,木素的溴化：溴化剂为溴化钠 （ NaBr）
木素的溴化作用, 是木材溴化滞火处理的理论基础 。
4,木素的氧化
木材中的木素, 在空气中与氧发生化学反应, 形成发
色团, 因而使木材材色变深 。 当有碱存在时, 空气中的氧
可将木素氧化成腐植酸 。
5．木素的乙酰化
木素大分子上有羟基, 所以与纤维素分子一样可以乙酰
化, 因此木材可用乙酰化进行改性处理 。
6.木素脱除 （ 制浆 ）
是指将纤维素与木材其他组分分离 。 在木素脱除过程中,
半纤维素, 树脂等也随着分离出来 。
把木素从木材中分离, 溶解于处理液中, 保留纤维素的
纤维制得纸浆, 木材制浆也就是木素脱除 。
在生产有两种方法：
① 酸法 （ 亚硫酸法 ）, Ca(HSO3)2（ 亚硫酸氢钙 ）
② 碱法：苏打法 （ NaOH） 蒸煮木片, 硫酸盐法
这两种脱除木素方法，都是采用化学药剂处理木材，使
木素分离出来，近年来国外除采取化学方法外，大量开展生
物解离木素的研究。
5.3 纤维素 （ Cellulose）
? 纤维素约占胞壁物质的 50%左右, 是胞壁的骨
架物质 。 是碳水化合物, 是高聚糖, 其分子含大
量糖单元 。 因此对木材的物理, 力学性质影响很
大 。 抗拉强度大, 一般以纤维状存在, 形成胞壁
的骨架 。 既不溶于冷水, 也不溶于热水 。 C44.44%、
H6.17%,O49.69%-（ C6H10O5） n
植物种类 纤维素 （ %） 植物种类 纤维素 （ %）
棉花 95— 99 木材 40— 60
宁麻 80— 90 树皮 20— 30
竹 40— 60 苔藓 25— 30
植物中纤维素含量
5.3 纤维素 （ Cellulose）
? 一, 纤维素的化学结构
? 纤维素 为环式吡喃型, 由 D— 葡萄糖基在 1-4位臵, 以 β —
甙键联结而成的链状高分子化合物 。
? 结构特点, ① 单元是 D—— 葡萄糖基, 相邻的葡萄糖基扭
转 180度 。 ② 葡萄糖基包含三个醇羟基, 分别位于 2,3,6
三个碳原子上, 形成氢键的基本条件 。 ③ 葡萄糖基为环式
结构 。 ④ 葡萄糖基的连接为 1,4-β -甙键联结 。
非还原性端基 纤维二糖基本单元 无水葡萄糖单元 还原性端基
5.3纤维素
? 二, 纤维的聚合度
? 聚合度,每一高分子所含的链节的数目 。
? 纤维素分子的聚合度 —— 纤维素分子中葡萄糖基的数目 。
? 纤维素分子量 =聚合度 × 葡萄糖基的分子量
? 聚合度是纤维素纤维的重要物理常数之一, 直接关系
到纤维的物理, 力学及化学性质 。
? 聚合度 ↑ — → 大分子长度 ↑ — → 强度 ↑
? —— 溶解度和反应能力 ↓
? 聚合度 (n)
? n<200 纤维素强度丧失
? 200<n<700 强度随着 n的提高而增加
? n>700 强度与聚合度关系不明显
5.3 纤维素
? 三, 纤维素的物理结构
? 纤维素大分子链之间的连接是由有分子间力 （ 范德瓦
耳斯力 ） 和氢键力二者的存在而形成的 。
? 1,氢键 （ hydrogen bond）,当氢原子以主价健与电负
性很强的原子结合后再以付价键与另一电负性很强的原子
相结合所形成的键 。
? 纤维素大分子链之间氢键形成的条件：
? ① 羟基 （ hydroxyl） 存在是先决条件
? ② 相邻大分子中的羟基距离, 在 0.3nm以下, 超过 0.3nm只
有范德华力, 没有氢键 。
? 氢键的键能,5-8千卡 /摩尔
? 范德华力键能,2-3千卡 /摩尔
? C-O-C主键力,80-90千卡 /摩尔
三、纤维素的物理结构
? 氢键键能虽小, 其总和非常大, 对纤维素和木材的性
质影响很大, 尤其对木材的吸湿性溶解度影响很大 。 氢键
与木材加工工艺的关系密切, 举例：
? （ 1） 湿法纤维板 （ wetting method fiber-board） 成板
理论 （ 一是氢键结合理论, 二是木素结合理论 ）
? 打浆使游离羟基数目增加, 改善形成氢键的条件, 板坯的
热压 —— 提高板内各组分功能基的活性, 使功能基之间的
距离缩短, 形成氢键和范德华力, 增强板的结合强度, 无
胶成板 。
? （ 2） 木材力学强度之所以在纤维饱和点以下随水分减少
而增大, 纤维素大分子之间形成的氢键是主要原因之一 。
? （ 3） 干燥过程中, 木材水分初期易蒸发, 后期不易蒸发
也和水分与木材之间形成的氢键有关 。
三、纤维素的物理结构
? 2,纤维素大分子的形状和排列
? （ 1） 形状：纤维素大分子链系为可以弯曲的线状 。 其弯
曲程度与大分子间的相互作用和排列方向密切相关, 当大
分子排列方向相同时, 大分子间的羟基彼此形成氢键的可
能性增大, 大分子的弯曲程度降低, 即当大分子排列方向
相同, 其定向程度越好, 则分子间的羟基形成氢键的可能
性也越大, 大分子结构越牢固, 纤维的密度越大, 吸湿性
越低, 力学强度越高 。
? （ 2） 排列：结晶区 （ crystalline region） 与非结晶区
（ amorphous region） （ 两相体系理论 ）
? 纤维素的结构理论,纤维素是由结晶区与无定形区交错联
接而成, 其中具有空隙系统的两相体系：一相结构理论没
有及到公认即纤维素是以无定形相 （ 形成无定形区 ） 存在 。
三、纤维素的物理结构
? 结晶区与非结晶区 （ 无定形区 ） 。
? 结晶区 （ crystalline region）,纤维素分子链
的排列定向有序, 具有完全的规整性, 靠侧面的
氢键缔合构成一定的品格, 呈清晰的 x-射线衍射
图, 结晶区长度为 600A左右 。
? 非结晶区 （ amorphous region）,纤维素分子链
的排列不呈定向有序, 规则性不强, 不形成晶格,
但也不象液体那样完全无序, 只是排列不整齐,
结合松散而已, 结晶区与非结构晶区之间无严格
的界限, 是逐渐过渡的 。
? 由于纤维素分子链很大, 所以它可以穿过几
个结晶区和非结晶区 。 除了结晶区与非结晶区,
还包含许多空隙, 形成空隙系统, 空隙大小一般
为 10-100A,最大可达 1000A（ 微毛细管 ） 。
三、纤维素的物理结构
? 3,纤维素的晶胞 （ crystal cell） 和结晶结
构 （ crystalline texture）
? 在结晶区中纤维素的结晶结构的单位是晶胞,
是纤维素的基本单元 。
3．纤维素的晶胞（ crystal cell）
? 晶胞为平行六面体的单斜晶
系, 晶胞的大小为：
? 三 个 轴 的 长 度, b=1.03nm
a=0.835nm c=0.79nm a轴与 c
轴之间的夹角 β= 84° 。
? 晶胞体积：
? V=a-b·ccos84° =675.7·10-24cm3
? 结合力方式,b轴 —— 主价键力
a轴 —— 氢键力 c轴 —— 范德
华力
? 由于三个轴方向的联接键
不同，纤维素的弹性模量和力
学强度沿各轴方向也不同，这
是木材各向异性的基本成因。
三、纤维素的物理结构
? 4,纤维素的结晶度与木材材性的关系：
? 结晶度 （ crystallinity） —— 结晶区占纤维整体的百
分率 。
? 测试方法：用 X-射线衍射的方法
? 如果结晶度 ↑ — → 纤维的抗拉强度 ↑ — → 弹性模量 ↑ 硬
度 ↑ 密度 ↑ 尺寸稳定性都随之 ↑, 而干缩湿胀率, 吸湿
性, 染料的吸着度 ↓ 预顺性和化学反应性随之 ↓
? 即纤维素是木材的主要组分, 约占组分的 50%,所
以结晶度与木材的物理, 力学和化学性质有着不可分割
的关系, 结晶度大, 即结晶区多, 则木材的强度 （ 抗拉,
抗弯 ） 尺寸稳定性也高, 反之结晶度低, 即无定形区多,
强度, 尺寸稳定性下降, 吸湿性, 化学瓜性升高 。
5．纤维素的物理性质
? （ 1） 吸湿性 （ adsorptive
nature） （ 吸水蒸汽 ）
? 吸湿 （ adsorption） -吸蒸汽
? 解吸 （ desorption） -蒸发水
汽
? 吸水 —— 直接吸收水分
? 吸湿机理,纤维素在无定形区
（ 非结晶区 ） 分子链的游离态
羟基为极性基团, 易于吸附极
性水分子, 与其形成氢键结合,
这是纤维素具有吸湿性的内在
原因 。
5．纤维素的物理性质
? （ 2） 色泽：白色 （ 无色透明 ） ； （ 3） 比重：
1.50-1.56左右
? （ 4） 热学性质：比热 c=0.32～ 0.33沿轴向的热传
导率高于直角方向；
? （ 5） 光学性质：具双折射现象, 在纤维的轴向和
横向, 光折射系数不同, 这与纤维素物理结构有
关；
5．纤维素的物理性质
? （ 6） 各向异性：轴向与横向的结合力不同, 弹性模量不
同 。
? （ 7） 电学性质：绝干态为绝缘体, 但含水分时其导电性
随含水率而增加, 这一性质可用于测纤维饱和点以下的含
水率, 介电性质多数与非结晶区的羟基数目密切相关 。
? （ 8） 收缩与膨胀：吸附的水分子只能存在于非结晶区的
线形纤维素分子链之间与结晶区的表面上, 纤维素水分的
减少或增多必然会改变纤维素分子链之间的距离, 靠拢或
拉开, 从而导致收缩或膨胀 。
6．纤维素的主要化学性质
? 纤维素是天然高分子, 分子量大, 结构复杂,其化学性质取决
于纤维素分子中的甙键和葡萄基上的三个羟基, 它们的性质不同,
表现出多元醇性质 。
? （ 1） 水解作用 （ cellulose hydrolyze） （ 纤维素与酸的作用 ）
? 在酸的作用下发生水解, 最初得到水解纤维素, 最后得到葡萄糖
（ 属已醛糖 ）, 经发酵可制得酒精, 国外正开展酶水解的研究 。
? （ 2） 酯化作用：当纤维素分子上羟基中的氢为酸根所取代即生成
酯所以纤维素可与各种无机酸, 有机酸或羧酸衍生物作用, 生成
各种酯类 。
? 酯化产品的种类：
? ① 纤维素硝酸酯 （ 硝酸纤维 ）, 它是喷漆, 照像软片, 火棉等原
料 。
? ② 纤维素醋酸酯 （ 醋酸纤维 ）,它是人造丝, 塑料等的原料 。
? ③ 黄酸酯 （ 黄酸纤维 ）,它是粘胶丝, 玻璃纸等的原料 。
6．纤维素的主要化学性质
? （ 3） 乙酰化作用 （ acetylation of celluse）, （ 尺寸稳
定性处理的一种方法 ）
? 用乙酰剂 （ 冰醋酸和乙酐按一定比例配制作用, 羟基全
部或部分被封闭, 结果纤维素的吸水性和膨胀率降低, 介电
性耐侯性, 耐热, 耐腐, 耐磨等性能也有不同程度的提高
（ 乙酰化处理乐器材, 体积稳定性升高, 共振性升高 ） 。 缺
点：目前成本较高 。
? （ 4） 氧化作用 （ cellulose oxidative degradation）,
木材的漂白和纸张的漂白 。
? （ 5）热解（ cellulose pyrolysis）, 在热作用下，纤维
素降解程度与加热温度、时间以及加热介质的组成相关。纤
维素热解不仅引起分子链断裂，还有脱水、氧化等反应发生，
在 220~240℃ 纤维素的结晶结构明显地受到破坏，聚合度下降。
在 325~375℃ 时，纤维素热解迅速，生成大量的挥发性产物；
800℃ 以上时，逐步形成石墨化结构。
6．纤维素的主要化学性质
? （ 6） 光降解 （ cellulose photochemical degradation）,波长
愈短, 光强度愈大, 对纤维素的降解作用也愈大 。 光对纤维素的
降解作用有两种类型
? 光解作用,光照对化学键的直接破坏, 与氧的存在无关 ;；
? 光敏作用,由于光敏物质的存在, 在氧及水分同时存在时, 才能使
纤维素发生破坏 。
? （ 7） 生物降解,纤维素在微生物作用下, 可产生有用的物质, 如
醋酸, 乙醇, 丁酸等 。 纤维素生物降解的研究对于工业上利用植
物废料, 生产有价值的产物具有实际意义 。
? 某些生物可自木材分解出纤维素和半纤维素, 而保留木素, 这
类微生物通常称为褐腐菌 。
? （ 8） 机械降解：纤维素纤维原料在研磨, 压碎或强烈压缩时受到
机械作用往往降解, 使反应能力提高, 其原因在于大分子的价键
及分子链之间的氢键有所破坏 。
5.4 半纤维素（ Hemicellulose）
? 一, 半纤维素 （ hemicellulose）
? 是由两种或两种以上的糖基所组成分子量较
小的高分子化合物, 其结构型为支链型, 常带有
各种短侧链 。 仅含有 150-200个半纤维素糖基 。
? 针 叶 树 材 （ softwood ） 与 阔 叶 树 材
（ hardwood） 两者的半纤维素虽然有些差异,
? 阔叶树材的半纤维素, 高聚糖主要有两种：木糖
和葡甘聚糖 。
? 针叶材的半纤维素,高聚糖主要为：①半乳糖基
葡萄糖基甘露聚糖。②阿拉伯糖基 -4-氧 -甲基 -
葡萄糖醛酸基木聚糖，前者约占 15-35%，后者约
占 10-15%。
5.4 半纤维素
? 二, 半纤维素在细胞壁中的分布和作用
? 分布模式,① 围绕纤维轴成同心薄层状态集聚的, 常与非
结晶态的纤维素交织在一起 。 ② 分散分布 。
? 分布浓度：经研究指出 S1层最高, 内向逐渐降低, 在 S2的
中部浓度较低, 且恒定 。
? 半纤维素一般为非结晶状态, 存在于纤维素微纤丝之
间 。 化学性质有些与纤维素相同 。
? 半纤维素 （ hemicellulose） 与纤维素 （ cellulose） 的比
较
? 1,共同点
? 共属于多聚糖，都是甙键连接，可以酯化（乙酰化）
或醚化；在适当条件下水解；在碱性条件下降解；均含游
离羟基具有亲水性。
5.4 半纤维素,
２,不同点：
纤 维 素 半 纤 维 素
? 1.糖基种类 （ 分子结构 ）
? 单糖基构成的高聚物 两种或两种以上的糖基构成
? 2,结构型 （ 分子形态 ）
? 典型的线型高聚糖无侧链 支链型, 主要是线型的但带
? 有各种短侧链 （ 多聚糖 ）
? 3,物理结构
? 由结晶区和无定形区交错 一般无结晶区
? 联接而成的二相体系
? 4,聚合度
? 很高, 平均 7000～ 15000 颇低仅含 150-200个糖基
? 5,在细胞壁中的作用
? 骨架物质 基本物质
? 6,吸湿性和润胀度
? 吸附水只能进入无定形区, 一般为无定形物质, 水分子容易进
? 结晶区对润胀有限制作用 入, 故吸湿性和润胀度比纤维素 高 。
5.5 木材的抽提物
（ The Wood Extractives）
木材的抽提物 是指木材中除构成细胞壁的纤维素, 半纤维素
,木素之外, 经中性溶剂如水, 酒精, 苯, 乙醚, 氯仿, 水蒸
汽或用稀碱稀酸溶液抽提出来的物质的总称 （ 包括除细胞壁以
外, 存在于胞腔中或细胞间隙的淀粉粒, 草酸钙等 ） 。
木材提提物的含量少者约为 1%,多者高达 40%以上 。
含量随树种, 树龄, 树干位臵以及树木生长的立地条件不同
而有差异, 一般心材含量高于边材, 而心材外层又高于心材内
层 。 虽然含量不大, 但不少都是与人类密切相关的药品, 化工
原料, 并对木材加工工艺产生积极或消极的影响 。
5.5 木材的抽提物
? 一, 与木材颜色的关系
? 材色除与木素有关外, 还与抽提物有关, 树种不同, 材色
各异 。
? 二, 抽提物的气味
? 1,香味：檀香木可作檀香扇
? 2,樟脑味：香樟木, 防腐, 防虫蛀
? 3,臭味：少数热带材, 如爪哇吉贝树
三、抽提物对木材物理性质和加工的影响
? 1,磨光作用
? 对强度影响程度不大, 热带材中含树胶, 树脂者耐磨性增
高, 加工时有天然磨光作用, 愈疮木含某种抽提物, 曾用作自
身润滑轮, 船的轴承等 。
? 2,对渗透的影响
? 抽提物抽出之后, 木材渗透性提高 。 因气体渗透系数与浸
提物抽出量成正相关, 原因在于抽提物多存在于胞腔内壁和纹
孔口上, 阻碍木材的渗透性 。 目前的防腐处理尚未采取预抽提,
原因：抽提工艺较贵, 增加成本 。
? 3,对吸湿性, 体积稳定性, 木材干燥的影响
? 某些抽提物的吸湿性比细胞壁物质还大, 所以经抽提之后
木材吸湿性降低, 体积稳定性提高 。 木材干燥中, 在较低温度
下, 水抽提物的存在, 使干缩量减少 （ 膨胀剂作用 ）, 某些树
种在干燥前将抽提物抽出, 可降低皱缩的程度 。
三、抽提物对木材物理性质和加工的影响
? 4,对加工的影响
? （ 1） 对刀具影响：磨损,
腐蚀, 夹锯, 粘带
? （ 2） 对胶合剂的固化有影
响, 使胶合性能变差 （ 因
树种而异 ）
? （ 3） 对油漆的影响, 抽提
物沥滤使漆膜变色, 树脂
酸作用使油漆早期变坏 。
? 5,木材抽提物与工人身体
健康：过敏反应, 皮肤过
敏症：湿疹, 红疹, 水泡
等 。
? 6.对木材表面耐候的影响：
抽提物对木材表面的光化
学反应起着促进作用，增
加了木材表面光降解程度。
5.6 木材的酸碱性质
（ acid-basel properties of wood）
? 一, 木材的 pH值
? 一般泛指木材中水
溶性物质的酸性或碱性
的程度, 通常以木粉的
水抽提物的 pH值表示 。
? 国外一些研究者的研
究结果表明, 世界上绝
大多数木材呈弱酸性,
只有少数木材呈弱碱性,
原因：木材含醋酸, 蚁
酸, 树脂酸和其它酸性
抽提物 。
5.6 木材的酸碱性质
二、木材 pH值的变化
生长（或采伐地域）、贮存时间、树种及木材部位不同
而变化,因树木的生长速度不同而变化,因木材的含水率
不同而变化。
随着干燥木材含水率的降低,PH值降低。其原因是在木
材干燥过程中，木材的抽出物及木材组分发生水解和降解，
木材中不挥发的酸性物质浓度增加，因而木材的 pH值降低。
三、木材的酸碱缓冲容量,
在弱酸（碱 ）及其弱酸（碱 ）盐混合溶液中，能在一
定程度上对外来的酸和碱具有缓冲能力，这种溶液叫做缓冲
溶液 。
木材的水抽提液是具有缓冲能力的缓冲溶液，即木材具
有缓冲容量。
其表征树木在生长期间和木材及其木制品的贮存、加工
或使用期间，对外界酸或碱的平衡或 抵抗能力。
5.6 木材的酸碱性质
（ acid-basel properties of wood）
? 四, 木材酸碱性质与木材加工的关系
? 1,木材的病腐性
? 木腐菌生长所需 pH值的最佳范围 4.5-5.5。
? 当木材 pH>7时，则许多霉菌不能生长，但木材的 pH值大都在
4.5-6.0之间，大于 7.0的极少，故木材是真菌寄生的优良场所。
常用防腐剂对木材进行处理。
? 2,木材对金属的腐蚀
? 绝大多数木材的水抽提物呈酸性, 能使金属腐蚀, 例如常引
起对加工机械, 仪表和工具的腐蚀, 在干燥过程中, 常发现干燥
室的墙壁和干燥设备的腐蚀现象 。
? 3,对木材胶合的影响
? 只对酚醛树脂胶无影响 。 对脲醛树脂胶影响大, pH值过高树
种越不易胶合 。
? 对于碱性高，碱缓冲容易大的树种、胶合时，加大酸固化剂
用量因为凝胶时间随碱缓冲容易的增加而增长。
五
章
木
材
化
学
性
质
重点介绍木材三大成分木质素, 纤
维素及半纤维素的的结构, 物理性质,
化学性质 。 并简要介绍木材中的抽提物,
木材的酸碱性质 。
目 录
5.1 木材的化学组成
5.2 木质素
5.3 纤维素
5.4 半纤维素
5.5 木材抽提物
5.6 木材的酸碱性质
5.1 木材的化学组成
木材化学成分，有细胞壁物质和非细胞壁物质之分，或
称为主要化学成分和少量化学成分。
图 5-1 木材的化学组成
木材
木质素
碳水化合物
半纤维素
（水解单糖 — D-葡萄糖,D-半乳糖、
D-甘露糖,D-木糖,L-阿拉伯糖）
纤维素
（ 水解单糖 — D-葡萄糖 ）
细胞壁
主要组分
少量组分
无机物 （ 灰分 ）
有机物 （ 芳香族, 萜烯类, 脂肪族化合物 ）
5.1.1 木材的主要化学成分
木材主要化学成分是构成木材细胞壁和胞间层的物质,
由纤维素, 半纤维素和木质素三种高分子化合物组成, 一
般总量占木材的 90%以上, 热带木材中高聚物含量略低, 在
高聚物中纤维素和半纤维素组成的多糖含量居多, 占木材
的 65%-75%。
Wordrop提出：
纤维素－微骨架结构；
半纤维素－填充物质；
木质素－结壳物质 。
1.纤维素
2.半纤维素
3.木素
1
2
3
5.1.1.1 纤维素（ cellulose）
纤维素 是由 D-葡萄糖基构成的直链状高分子
化合物 。 纤维素大分子中的 D-葡萄糖基之间
按着纤维素二糖连结的方式联结 。 纤维素二
糖的 C1位上保持着半缩醛的形式, 有还原性,
而在 C4上留有一个自由羟基, 纤维素具有特
殊的 x射线图 。 它是不溶于水的均一聚糖 。
纤维素的化学结构 是 1,4-β -D-吡喃式
失水聚葡萄糖组成 。 但在自然界中它的性质
和功能是通过纤维素分子聚集体所形成的结
晶态和细纤维结构决定的 。
1,纤维素微纤丝
2,葡萄糖单体链
3,半纤维素
4,中性果胶
5,酸性的果胶
6,糖原蛋白质
5.1.1.2 半纤维素 (hemicellulose)
半纤维素是除纤维素和果胶以外的植物细胞壁
聚糖，与纤维素不同，半纤维素是两种或两种以上
单糖组成的不均一聚糖，分子量较低，聚合度小，
大多带有支链。
构成半纤维素的主链的主要单糖是：木糖、甘
露糖和葡萄糖，构成半纤维素的支链的主要单糖是：
半乳糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖、岩藻糖、鼠李
糖、葡萄糖醛酸和半乳糖 醛酸等。
5.1.1.3 木质素 (lignin)
木质素是一种天然的高分子聚合物 。 是由 苯基丙烷结构单
元 通过醚键和碳 -碳键联接而成, 具有三维结构的芳香族高分
子化合物 。
苯基丙烷单元分成三类：愈疮木基丙烷 （ G）, 紫丁香基
丙烷 （ S） 和对羟基丙烷 （ H） 。
针叶树材和阔叶树材中纤维素, 半纤维素和木质素的含量
见表 。
一般针叶树材中纤维
素和半纤维素的含量低于
阔叶树材中的含量, 但是
针叶树材中木质素含量高
于阔叶树材中木质素的含
量 。
主要成分 针叶树材 阔叶树材
纤维素
半纤维素
木质素
42± 2
27± 2
28± 3
45± 2
30± 5
20± 4
1.中间薄层
2.初生壁
3.原生质膜
4.果胶
5.纤维素
6.半纤维素
1
2
1
2
3
4
5
6
5.1.2 木材的 抽提物
抽提物：木材的少量化学成分是一组不构成细胞壁, 胞间层
的游离的低分子化合物, 可被极性和非极性有机溶剂, 水
蒸汽或水提取, 所以称抽提物或浸出物 。 一般约占绝干木
材的 2%-5%。
木材抽提物种类庞多, 因树木的种类不同而差异很大,
有些抽提物是各科, 属, 亚属等特有的化学成分, 可以作
为某一特定树种分类的化学依据 。
木材抽提物化学也是植物化学研究领域的一个分支 。
木材抽提物包括的化学成分组成复杂, 经鉴定,
已有近 800种化合物存在于木材抽提物中, 主要有：
（ 1） 脂肪族化合物 包括饱和脂肪酸, 不饱和脂肪酸,
脂肪, 蜡, 低聚糖, 果胶质, 淀粉, 蛋白质 。
（ 2） 萜烯及萜烯类化合物 包括单萜 （ 松节油等 ）,
倍半萜, 树脂酸, 植物甾醇等 。
（ 3） 芳香族化合物 包括黄酮类化合物, 单宁, 芪等 。
5.1.3 树木的化学组成
5.1.3.1 木质部的化学组成差异
? 树种与产地,由于树种不同, 木材的化学组成有很大差别,
如针叶树材与阔叶树材 。 同一种树木, 产地和生长环境不
同, 化学组成也有差异 。
? 边材与心材,在针叶树材中, 心材比边材含有较多的有机
溶剂抽提物, 较少的木质素与纤维素 。 在阔叶树材中, 心
材与边材差异较小 。 无论是针叶树材或阔叶树材, 边材中
乙酰基的含量较心材高 。
? 早材与晚材,由于晚材管胞的细胞壁厚度大于早材的细胞
壁, 并且晚材胞间层占的比例较少, 细胞壁成分的大多数
为纤维素, 胞间层物质大多数为木质素, 所以, 晚材比早
材常含有较高的纤维素与较低的木质素 。
? 在树干的不同高度处, 木材的化学组成也略有差异 。
5.1.3.2 树干与树枝化学组成的区别
树干与树枝化学组成差别较大, 不论是针叶树材还是阔叶
树材, 树枝的纤维素含量较少, 木质素含量较多, 聚戊糖, 聚
甘露糖较少, 热水抽提物含量较多 。
几个树种树干与树枝化学组成分析（ %）
化学组成
云 杉 松 青 杨
树干 树枝 树干 树枝 树干 树枝
纤维素
木质素
聚戊糖
聚甘露糖
聚半乳糖
乙醚抽提
热水抽提
灰分
58.8-59.3
28
10.5
7.6
2.6
1.0
1.7
0.2
44.8
34.3
12.8
3.7
3.0
1.3
6.6
0.35
56.5-57.6
27
10.5
7
1.4
4.5
2.5
0.2
48.2
27.4
13.1
4.8
1.5
3.3
3.4
0.37
52.2-52
21.2
22.8
—
0.6
1.5
2.6
0.26
43.9
25, 89
35.1
—
0.5
2.5
4.9
0.33
5.1.3.3 树皮的化学组成
树皮约占全树的 10%，树皮可分为外皮和内皮（韧皮），
其化学组成也有不同。
一些树木的树皮的化学组成（ %）
化学组成
松 云杉 桦木 青杨
韧 皮 外 皮 韧 皮 外 皮 韧 皮 外 皮 韧 皮
灰分 2.19 1.39 2.33 2.31 2.42 0.52 2.73
水抽出物 21.82 15.09 33.8 28.63 21.8 4.49 31.81
乙醇抽出物 3.85 3.48 1.7 2.62 13.1 24.78 7.5
甲氧基 （ 包括木质素内
的 ）
1.94 3.75 1.96 2.92 3.2 2.59 5.15
挥发酸 1.73 1.25 1.11 0.69 0.77 1.1 1.6
纤维素 19.36 17.7 25.23 16.4 19.3 3.85 10.9
聚已糖 16.3 6.0 9.3 7.7 5.1 - 7.0
聚糖醛酸 6.04 21.7 5.98 3.95 7.35 2.2 3.56
聚戊糖 12.24 6.76 9.65 7.10 12.5 4.8 11.8
木醛质 0 2.85 0 2.85 0 34.4 0.91
木质素 17.2 43.62 15.57 27.44 24.9 - 27.7
5.2 木质素
5.2.1 概述, 5.2.1.1 木质素的存在
木材中除去纤维素、半纤维素和抽提物后，剩余的细胞壁物
质为木质素，木质素是针叶树类、阔叶树类和草类植物的基本化
学组成之一。
木质素与纤维素和半纤维素是构成植物骨架的主要成分, 存
在于高等植物之中 。 地球上木质素的数量仅次于纤维素, 估计每
年全世界由植物生长可产生 1500亿吨木质素 。 我国森林资源不是
很丰富, 农作物秸杆每年有 5-6亿吨 。
木质素主要存在于木质化植物的细胞壁中, 强化植物组织,
其化学结构是苯丙烷类结构单元组成的复杂多酚类高分子化合物,
含有多种活性官能团 。
木质素一般可分为三种：阔叶树木质素, 针叶树木质素和草
类木质素 。 在木本植物中, 木质素含量为 20%-35%,在草本植物
中为 15%-25%。
5.2.1.2 木质素的分布
木质素在木材中的分布不均匀, 一般采集部
位愈高, 木质素含量愈低 。 木质素在植物结构中的
分布是有一定规律的, 胞间层的木质素浓度最高,
细胞内部浓度则减小, 次生壁内层又增高, 如用紫
外显微分光法测定花旗松的胞间层木质素为
60%~90%,细胞腔附近为 10%~20%。
5.2.2 木质素的分离
在植物体内的木质素与分离后的木质素, 在结构上是
有差别的, 而且分离方法不同, 其结构也有变化, 因此将
未分离的木质素称作原本木质素 。
在工业上一般是利用纤维素时将木质素分离提取出来 。
木质素的分离方法, 按其基本原理可分为两类：
? 将植物中木质素以外的成分溶解除去, 木质素作为不溶性
成分被过滤分离出来；
? 将木质素作为可溶性成分溶解, 纤维素等其他成分不溶解
进行分离 。 如表 5-4所示 。
5.2.2.1 木质素作为不溶残子渣而分离的方法
这类方法是将木材中的多糖类物质溶出, 所得木质素是
不溶木质素 。
作为前一类分离方法的原理是木材的纤维素和半纤维素
的酸水解, 氧化降解或络合溶解, 木质素作为水解残渣被分
离 。 这些硫酸木质素, 盐酸木质素, 铜氨木质素和高碘酸盐
木质素与天然木质素相比, 木质素的结构已发生了很大的变
化, 因为在分离过程中发生高分子的解聚和缩合反应 。 但是,
其中的硫酸木质素 （ Klason木质素 ） 是测定木质素含量的直
接可靠方法 。
5.2.2.2 木质素被溶出而分离的方法
有机溶剂 无机溶剂
乙醇
酚二氧六环
醋酸
酸性条件
氢氧化钠 硫化钠
亚硫酸钠
造纸
的制
浆过
程
磨木木质素的制备方法
用有机溶剂
抽提后的试样
试样
悬浮
甲苯等非
润胀试剂 振动球磨机
磨碎 48h或更长时间
细
磨
后
的
木
粉
二氧六环
溶液
二氧六环 ∶ 水
=9∶ 1或 8∶ 2
提取
粗
磨
木
木
质
素
90%的
醋酸
水
沉淀提纯
1,2-二氯
乙烷 -乙醇溶解 乙醚
沉淀 干燥
洗涤
磨木木质素
? 这种分离方法的缺点是, 只能得到部分木质素, 最大
得率约木材天然存在木质素的 25%。
? 在用振动球磨机中磨碎 48h后, 用对纤维素和半纤维素
具有高活力的酶制剂处理, 然后分别用 96%二氧六环含
水溶液和 50%二氧六环含水溶液提取, 得到纤维素酶木
质素 (CEL)。
? 磨木木质素 （ MWL） 和纤维素酶木质素 (CEL)是目前分
离方法得到的最接近天然木质素的制备物, 适宜于做
木质素结构研究试样 。
? 但与原本木质素并不相同, 因为在分离中木质素大分
子已经部分发生碎片化, 分离的仍是部分木质素, 少
量化学反应使木质素中游离酚羟基和 α -羰基增加等 。
5.2.3 木质素的结构
木质素是非常复杂的天然聚合物, 其化学结构与纤维素
和蛋白质相比, 缺少重复单元间的规律性和有序性 。
研究表明, 木质素是木质素的结构单元 （ 木质素的先
驱体 ） 按照连续脱氢聚合作用机理, 用几种形式相互无规则
地连接起来, 形成一个三维网状的聚酚化合物 。 因此它不能
象纤维素等有规则天然聚合物可用化学式来表示, 木质素的
结构是一种物质的结构的模型, 是按测定结果平均出来的假
定分子结构 。 这些测定包括：元素组成, 结构单元和比例,
官能团, 连接方式, 从而推得结构模型 。
5.2.3.1 木质素的元素组成
木质素的基本结构单元是苯丙烷, 苯环上具有甲氧基 。
因此, 表示元素分析结果以构成苯丙烷结构单元的碳架 C6-C3
（ 即 C9） 作为基本的单位来表示 。 木质素的元素组成随植物
品种, 产地和分离方法的不同而不同 。
三个树种磨木木质素 （ MWL） 的元素组成
磨木木
质素 云杉 山毛榉 桦木
元素组
成
C9H8.82O2.27(O
CH3)0.95
C9H7.10O2.41(O
CH3)1.36
C9H9.05O2.77(O
CH3)1.58
由于甲氧基是木质素结构中特征官能团之一, 并且比
较稳定, 在表示木质素的元素组成时往往列出 。 不同产地
和分离过程的差异, 出自不同文献, 同一种木质素的元素
组成有差异 。
5.2.3.2 结构单元
苯丙烷作为木质素的主体结构单元, 共有三种基本结构, 即
愈疮木基结构, 紫丁香基结构 和 对羟苯基结构 。C
C
C
O C H 3
O H
C
C
C
O C H 3
O H
C
C
C
O H
H 3 C O
愈疮木基丙烷
（ G）
紫丁香基丙烷
（ S）
对羟苯基丙烷
（ H）
木质素结构单元（三种类型）
针叶树木质素以愈创木基结构单元为主, 紫丁香基结构单元
和对羟苯基结构单元极少 。
阔叶树木质素以紫丁香基结构单元和愈创木基结构单元为主,
含有少量的对羟苯基结构单元, 草类木质素与阔叶树木质素的结
构单元组成相似 。
结构单元之间的连接方式主要是醚键, 约占 2/3~3/4,还有
碳键约占 1/4~1/3,各种键型如图 5-3所示 。 其比例列于表 5-6。
木质素结构单元的连接方式与比例
键 型 联接方式
100C9中含有的个数
名 称
云杉木质素 山毛榉木质素
β-O-4型 β-烷基芳香醚键 49~51（ 48） 62~65 愈创木基甘油 -β-芳基醚
α-O-4型 α-烷基芳香醚键 6~8 6 愈创木基甘油 -α-芳基醚
4-O-5型 二芳基 （ 联苯 ） 醚键 3.5~4 1.5 愈创木基芳基醚
α-O-γ型 二烷基醚键 0~6 4 松脂酚
β-5型 α-烷基芳基醚
β-碳键
9~12 6 苯基香豆满
5-5型 二苯基 （ 联苯 ） 碳键 9.5~11 2.3 二联苯愈创木基丙烷
β-β型 β-二烷基碳键 2 5 二芳基 （ 愈创木基 ） 联丙烷
β-1型 β-芳基碳键 2（ 7） 15 愈创木基 -β-芳基丙烷
5.2.3.3 官能团
木质素结构中有复杂的官能团, 其分布与种类有关, 也
与提取分离方法有关 。
（ 1） 甲氧基 甲氧机含量因木质素的来源而异, 一般针叶树
材木质素中含 13%~16%,阔叶树材木质素中含 17%~23%。 阔叶
树材木质素中甲氧基含量高于针叶树材, 因为阔叶树材木质
素既存在愈疮木基结构单元, 也存在紫丁香基节单元 。
（ 2） 羟基 木质素结构中存在较多的羟基, 以醇羟基和酚羟
基两种形式存在 。 木质素结构中的酚羟基是一个十分重要的
结构参数, 酚羟基直接影响木质素的化学性质和物理性质,
如木质素的醚化, 酯化和缩合的程度, 溶解性能等 。
磨木木质素中羟基总数是 1.00~1.25/OCH3,其中酚羟
基是 0.24~0.335/OCH3,这些酚羟基又分为四种类型：非缩
合型, 缩合型, 侧链位有羰基的共轭型和肉桂醛型的共轭型 。
木质素中游离羟基的含量可采用乙酰化方法测定, 酚羟基的
含量可采用气相色谱法测定 。
（ 3） 羰基 木质素结构中存在约 6种羰基, 其
定量通常用盐酸羟胺法, 与芳香环共轭的羰
基, 可用紫外光谱法定量测定, 磨木木质素
的羰基含量为 0.18-0.20/OCH3。
（ 4） 羧基 一般认为木质素中是不存在羧基的,
但在磨木木质素中存在 0.01-0.02/OCH3。
5.2.3.4 木质素与糖类连接
在植物体内, 木质素总是与纤维素及半纤维素共存的,
甚至还有一些寡糖存在, 其共存方式影响组分分离和材料
利用 。 长期研究表明, 木质素的部分结构单元与半纤维素
中的某些糖基通过化学键连接在一起, 形成木质素 -糖类
复合体, 称为 LCC复合体 。
与木质素缩合的糖基有如下几种：呋喃式阿拉伯糖基,
吡喃式木糖基, 吡喃式半乳糖基和吡喃式糖醛酸基 。 木质
素与糖类的连接方式可分为糖苷键连接, 缩醛键连接, 酯
键连接和醚键连接, 糖苷键连接所占比例较大 。
5.2.3.5 木质素的结构模型
木质素是聚酚类的三维网状高分子化合物, 不同于蛋
白质, 多糖和核酸等天然高分子, 后者的有规结构可用化
学式来表示, 而木质素只能用结构模型来表达, 这种结构
模型所描述的也只是木质素大分子切出的可代表平均分子
的一部分, 或一种假定结构 。
由于木质素的结构非常复杂, 虽然从 19世纪后期就
开始研究, 但至今还没有将各种木质素的详细结构研究清
楚, 近 20年来已提出了十几种结构模型, 尤其是通过计算
机的辅助分析, 提出的结构模型更趋合理 。
5.2.4 木质素的物理性质
5.2.4.1 一般物理性质
（ 1） 颜色 原本木质素是一种白色或接近无色的物质, 我们
所见到木质素的颜色, 是在分离, 制备过程中造成的 。 随
着分离, 制备方法的不同, 呈现出深, 浅不同的颜色,
Brauns云杉木质素是浅奶油色, 酸木质素, 铜铵木质素,
过碘酸盐木质素的颜色较深, 在浅黄褐色到深褐色之间 。
（ 2） 相对密度 木质素的相对密度大约在 1.35~1.50之间 。
测定时用不同的液体, 得到的数据略有不同, 如用水
测定, 松木硫酸木质素的相对密度是 1.451,用苯测定是
1.436。 云杉二氧六环木质素用水作比重液, 在 20℃ 时测定
为 1.38,用二氧六环作比重液测定为 1.391。
制备方法不同的木质素, 相对密度也不同, 如松木乙
二醇木质素是 1.362,而松木盐酸木质素是 1.348。
（ 3） 光学性质 木质素结构中没有不对称碳, 所以没有光学
活性, 云杉铜胺木质素的折光率为 1.61,表明木质素的芳
香族性质 。
（ 4） 燃烧热 木质素的燃烧热值是比较高的, 如无灰份的云
杉盐酸木质素的燃烧热是 110kJ/g,硫酸木质素的燃烧热是
109.6kJ/g。
（ 5） 溶解度 木质素是一种聚集体, 结构中存在许多极性基
团, 尤其是较多的羟基, 造成了很强的分子内和分子间的
氢键, 因此原本木质素是不溶于任何溶剂的 。
分离木质素因发生了缩合或降解, 许多物理性质改变了,
溶解性质也随之改变, 从而有可溶性木质素和不溶性木质
素之分 。 酚羟基和醇羟基的存在, 使木质素能在浓的强碱
溶液中溶解 。 碱木质素可溶于稀碱或中性的极性溶剂中,
木质素磺酸盐可溶于水中, 形成胶体溶液 。
5.2.4.2 热性质
除了酸木质素和铜胺木质素外, 原本木质素和大多数分
离木质素是一种热塑性高分子物质, 无确定的熔点, 具有
玻璃态转化温度 （ Tg） 或转化点, 而且较高 。
? 5.2.4.3木素的摩尔氏反应与木材的颜色
? 1,木素的颜色反应可作为鉴定木材组织中或机械纸浆中有无木素
存在的参考依据 。
? 2,用摩尔氏反应来区别针, 阔叶树材 。 用 1%高锰酸钾溶液处理木
材薄片, 浸 15-20分钟, 用蒸馏水冲洗 10分钟, 最后放入氢氧化氨
溶液中观察 。
? 针叶树材显黄色, 阔叶树材显红色 。
? 3,木材的材色是由于木素中含有发色基及助色基, 以及木材提炼
物中含有色素, 单宁和树脂类等物质而引起的 。
5.2.5 木素的化学反应简述
木素的化学反应不如纤维素了解的深入, 但有些反应
成为生产工艺的基础, 下面介绍几种与木材加工有密切关
系的化学反应：
1,碱对木素的作用
用碱法蒸煮木材, 脱木素, 木素与碱发生化学作用,
生成碱木素, 碱木素可作作乳化稳定剂 。
2,木素的氯化
氯易与木素反应, 木素氯化后, 易溶于碱液中 。 生产
中用氯化法生产纸浆和氯化漂白纸浆, 在实验室可制备综
纤维素 。
3,木素的溴化：溴化剂为溴化钠 （ NaBr）
木素的溴化作用, 是木材溴化滞火处理的理论基础 。
4,木素的氧化
木材中的木素, 在空气中与氧发生化学反应, 形成发
色团, 因而使木材材色变深 。 当有碱存在时, 空气中的氧
可将木素氧化成腐植酸 。
5．木素的乙酰化
木素大分子上有羟基, 所以与纤维素分子一样可以乙酰
化, 因此木材可用乙酰化进行改性处理 。
6.木素脱除 （ 制浆 ）
是指将纤维素与木材其他组分分离 。 在木素脱除过程中,
半纤维素, 树脂等也随着分离出来 。
把木素从木材中分离, 溶解于处理液中, 保留纤维素的
纤维制得纸浆, 木材制浆也就是木素脱除 。
在生产有两种方法：
① 酸法 （ 亚硫酸法 ）, Ca(HSO3)2（ 亚硫酸氢钙 ）
② 碱法：苏打法 （ NaOH） 蒸煮木片, 硫酸盐法
这两种脱除木素方法，都是采用化学药剂处理木材，使
木素分离出来，近年来国外除采取化学方法外，大量开展生
物解离木素的研究。
5.3 纤维素 （ Cellulose）
? 纤维素约占胞壁物质的 50%左右, 是胞壁的骨
架物质 。 是碳水化合物, 是高聚糖, 其分子含大
量糖单元 。 因此对木材的物理, 力学性质影响很
大 。 抗拉强度大, 一般以纤维状存在, 形成胞壁
的骨架 。 既不溶于冷水, 也不溶于热水 。 C44.44%、
H6.17%,O49.69%-（ C6H10O5） n
植物种类 纤维素 （ %） 植物种类 纤维素 （ %）
棉花 95— 99 木材 40— 60
宁麻 80— 90 树皮 20— 30
竹 40— 60 苔藓 25— 30
植物中纤维素含量
5.3 纤维素 （ Cellulose）
? 一, 纤维素的化学结构
? 纤维素 为环式吡喃型, 由 D— 葡萄糖基在 1-4位臵, 以 β —
甙键联结而成的链状高分子化合物 。
? 结构特点, ① 单元是 D—— 葡萄糖基, 相邻的葡萄糖基扭
转 180度 。 ② 葡萄糖基包含三个醇羟基, 分别位于 2,3,6
三个碳原子上, 形成氢键的基本条件 。 ③ 葡萄糖基为环式
结构 。 ④ 葡萄糖基的连接为 1,4-β -甙键联结 。
非还原性端基 纤维二糖基本单元 无水葡萄糖单元 还原性端基
5.3纤维素
? 二, 纤维的聚合度
? 聚合度,每一高分子所含的链节的数目 。
? 纤维素分子的聚合度 —— 纤维素分子中葡萄糖基的数目 。
? 纤维素分子量 =聚合度 × 葡萄糖基的分子量
? 聚合度是纤维素纤维的重要物理常数之一, 直接关系
到纤维的物理, 力学及化学性质 。
? 聚合度 ↑ — → 大分子长度 ↑ — → 强度 ↑
? —— 溶解度和反应能力 ↓
? 聚合度 (n)
? n<200 纤维素强度丧失
? 200<n<700 强度随着 n的提高而增加
? n>700 强度与聚合度关系不明显
5.3 纤维素
? 三, 纤维素的物理结构
? 纤维素大分子链之间的连接是由有分子间力 （ 范德瓦
耳斯力 ） 和氢键力二者的存在而形成的 。
? 1,氢键 （ hydrogen bond）,当氢原子以主价健与电负
性很强的原子结合后再以付价键与另一电负性很强的原子
相结合所形成的键 。
? 纤维素大分子链之间氢键形成的条件：
? ① 羟基 （ hydroxyl） 存在是先决条件
? ② 相邻大分子中的羟基距离, 在 0.3nm以下, 超过 0.3nm只
有范德华力, 没有氢键 。
? 氢键的键能,5-8千卡 /摩尔
? 范德华力键能,2-3千卡 /摩尔
? C-O-C主键力,80-90千卡 /摩尔
三、纤维素的物理结构
? 氢键键能虽小, 其总和非常大, 对纤维素和木材的性
质影响很大, 尤其对木材的吸湿性溶解度影响很大 。 氢键
与木材加工工艺的关系密切, 举例：
? （ 1） 湿法纤维板 （ wetting method fiber-board） 成板
理论 （ 一是氢键结合理论, 二是木素结合理论 ）
? 打浆使游离羟基数目增加, 改善形成氢键的条件, 板坯的
热压 —— 提高板内各组分功能基的活性, 使功能基之间的
距离缩短, 形成氢键和范德华力, 增强板的结合强度, 无
胶成板 。
? （ 2） 木材力学强度之所以在纤维饱和点以下随水分减少
而增大, 纤维素大分子之间形成的氢键是主要原因之一 。
? （ 3） 干燥过程中, 木材水分初期易蒸发, 后期不易蒸发
也和水分与木材之间形成的氢键有关 。
三、纤维素的物理结构
? 2,纤维素大分子的形状和排列
? （ 1） 形状：纤维素大分子链系为可以弯曲的线状 。 其弯
曲程度与大分子间的相互作用和排列方向密切相关, 当大
分子排列方向相同时, 大分子间的羟基彼此形成氢键的可
能性增大, 大分子的弯曲程度降低, 即当大分子排列方向
相同, 其定向程度越好, 则分子间的羟基形成氢键的可能
性也越大, 大分子结构越牢固, 纤维的密度越大, 吸湿性
越低, 力学强度越高 。
? （ 2） 排列：结晶区 （ crystalline region） 与非结晶区
（ amorphous region） （ 两相体系理论 ）
? 纤维素的结构理论,纤维素是由结晶区与无定形区交错联
接而成, 其中具有空隙系统的两相体系：一相结构理论没
有及到公认即纤维素是以无定形相 （ 形成无定形区 ） 存在 。
三、纤维素的物理结构
? 结晶区与非结晶区 （ 无定形区 ） 。
? 结晶区 （ crystalline region）,纤维素分子链
的排列定向有序, 具有完全的规整性, 靠侧面的
氢键缔合构成一定的品格, 呈清晰的 x-射线衍射
图, 结晶区长度为 600A左右 。
? 非结晶区 （ amorphous region）,纤维素分子链
的排列不呈定向有序, 规则性不强, 不形成晶格,
但也不象液体那样完全无序, 只是排列不整齐,
结合松散而已, 结晶区与非结构晶区之间无严格
的界限, 是逐渐过渡的 。
? 由于纤维素分子链很大, 所以它可以穿过几
个结晶区和非结晶区 。 除了结晶区与非结晶区,
还包含许多空隙, 形成空隙系统, 空隙大小一般
为 10-100A,最大可达 1000A（ 微毛细管 ） 。
三、纤维素的物理结构
? 3,纤维素的晶胞 （ crystal cell） 和结晶结
构 （ crystalline texture）
? 在结晶区中纤维素的结晶结构的单位是晶胞,
是纤维素的基本单元 。
3．纤维素的晶胞（ crystal cell）
? 晶胞为平行六面体的单斜晶
系, 晶胞的大小为：
? 三 个 轴 的 长 度, b=1.03nm
a=0.835nm c=0.79nm a轴与 c
轴之间的夹角 β= 84° 。
? 晶胞体积：
? V=a-b·ccos84° =675.7·10-24cm3
? 结合力方式,b轴 —— 主价键力
a轴 —— 氢键力 c轴 —— 范德
华力
? 由于三个轴方向的联接键
不同，纤维素的弹性模量和力
学强度沿各轴方向也不同，这
是木材各向异性的基本成因。
三、纤维素的物理结构
? 4,纤维素的结晶度与木材材性的关系：
? 结晶度 （ crystallinity） —— 结晶区占纤维整体的百
分率 。
? 测试方法：用 X-射线衍射的方法
? 如果结晶度 ↑ — → 纤维的抗拉强度 ↑ — → 弹性模量 ↑ 硬
度 ↑ 密度 ↑ 尺寸稳定性都随之 ↑, 而干缩湿胀率, 吸湿
性, 染料的吸着度 ↓ 预顺性和化学反应性随之 ↓
? 即纤维素是木材的主要组分, 约占组分的 50%,所
以结晶度与木材的物理, 力学和化学性质有着不可分割
的关系, 结晶度大, 即结晶区多, 则木材的强度 （ 抗拉,
抗弯 ） 尺寸稳定性也高, 反之结晶度低, 即无定形区多,
强度, 尺寸稳定性下降, 吸湿性, 化学瓜性升高 。
5．纤维素的物理性质
? （ 1） 吸湿性 （ adsorptive
nature） （ 吸水蒸汽 ）
? 吸湿 （ adsorption） -吸蒸汽
? 解吸 （ desorption） -蒸发水
汽
? 吸水 —— 直接吸收水分
? 吸湿机理,纤维素在无定形区
（ 非结晶区 ） 分子链的游离态
羟基为极性基团, 易于吸附极
性水分子, 与其形成氢键结合,
这是纤维素具有吸湿性的内在
原因 。
5．纤维素的物理性质
? （ 2） 色泽：白色 （ 无色透明 ） ； （ 3） 比重：
1.50-1.56左右
? （ 4） 热学性质：比热 c=0.32～ 0.33沿轴向的热传
导率高于直角方向；
? （ 5） 光学性质：具双折射现象, 在纤维的轴向和
横向, 光折射系数不同, 这与纤维素物理结构有
关；
5．纤维素的物理性质
? （ 6） 各向异性：轴向与横向的结合力不同, 弹性模量不
同 。
? （ 7） 电学性质：绝干态为绝缘体, 但含水分时其导电性
随含水率而增加, 这一性质可用于测纤维饱和点以下的含
水率, 介电性质多数与非结晶区的羟基数目密切相关 。
? （ 8） 收缩与膨胀：吸附的水分子只能存在于非结晶区的
线形纤维素分子链之间与结晶区的表面上, 纤维素水分的
减少或增多必然会改变纤维素分子链之间的距离, 靠拢或
拉开, 从而导致收缩或膨胀 。
6．纤维素的主要化学性质
? 纤维素是天然高分子, 分子量大, 结构复杂,其化学性质取决
于纤维素分子中的甙键和葡萄基上的三个羟基, 它们的性质不同,
表现出多元醇性质 。
? （ 1） 水解作用 （ cellulose hydrolyze） （ 纤维素与酸的作用 ）
? 在酸的作用下发生水解, 最初得到水解纤维素, 最后得到葡萄糖
（ 属已醛糖 ）, 经发酵可制得酒精, 国外正开展酶水解的研究 。
? （ 2） 酯化作用：当纤维素分子上羟基中的氢为酸根所取代即生成
酯所以纤维素可与各种无机酸, 有机酸或羧酸衍生物作用, 生成
各种酯类 。
? 酯化产品的种类：
? ① 纤维素硝酸酯 （ 硝酸纤维 ）, 它是喷漆, 照像软片, 火棉等原
料 。
? ② 纤维素醋酸酯 （ 醋酸纤维 ）,它是人造丝, 塑料等的原料 。
? ③ 黄酸酯 （ 黄酸纤维 ）,它是粘胶丝, 玻璃纸等的原料 。
6．纤维素的主要化学性质
? （ 3） 乙酰化作用 （ acetylation of celluse）, （ 尺寸稳
定性处理的一种方法 ）
? 用乙酰剂 （ 冰醋酸和乙酐按一定比例配制作用, 羟基全
部或部分被封闭, 结果纤维素的吸水性和膨胀率降低, 介电
性耐侯性, 耐热, 耐腐, 耐磨等性能也有不同程度的提高
（ 乙酰化处理乐器材, 体积稳定性升高, 共振性升高 ） 。 缺
点：目前成本较高 。
? （ 4） 氧化作用 （ cellulose oxidative degradation）,
木材的漂白和纸张的漂白 。
? （ 5）热解（ cellulose pyrolysis）, 在热作用下，纤维
素降解程度与加热温度、时间以及加热介质的组成相关。纤
维素热解不仅引起分子链断裂，还有脱水、氧化等反应发生，
在 220~240℃ 纤维素的结晶结构明显地受到破坏，聚合度下降。
在 325~375℃ 时，纤维素热解迅速，生成大量的挥发性产物；
800℃ 以上时，逐步形成石墨化结构。
6．纤维素的主要化学性质
? （ 6） 光降解 （ cellulose photochemical degradation）,波长
愈短, 光强度愈大, 对纤维素的降解作用也愈大 。 光对纤维素的
降解作用有两种类型
? 光解作用,光照对化学键的直接破坏, 与氧的存在无关 ;；
? 光敏作用,由于光敏物质的存在, 在氧及水分同时存在时, 才能使
纤维素发生破坏 。
? （ 7） 生物降解,纤维素在微生物作用下, 可产生有用的物质, 如
醋酸, 乙醇, 丁酸等 。 纤维素生物降解的研究对于工业上利用植
物废料, 生产有价值的产物具有实际意义 。
? 某些生物可自木材分解出纤维素和半纤维素, 而保留木素, 这
类微生物通常称为褐腐菌 。
? （ 8） 机械降解：纤维素纤维原料在研磨, 压碎或强烈压缩时受到
机械作用往往降解, 使反应能力提高, 其原因在于大分子的价键
及分子链之间的氢键有所破坏 。
5.4 半纤维素（ Hemicellulose）
? 一, 半纤维素 （ hemicellulose）
? 是由两种或两种以上的糖基所组成分子量较
小的高分子化合物, 其结构型为支链型, 常带有
各种短侧链 。 仅含有 150-200个半纤维素糖基 。
? 针 叶 树 材 （ softwood ） 与 阔 叶 树 材
（ hardwood） 两者的半纤维素虽然有些差异,
? 阔叶树材的半纤维素, 高聚糖主要有两种：木糖
和葡甘聚糖 。
? 针叶材的半纤维素,高聚糖主要为：①半乳糖基
葡萄糖基甘露聚糖。②阿拉伯糖基 -4-氧 -甲基 -
葡萄糖醛酸基木聚糖，前者约占 15-35%，后者约
占 10-15%。
5.4 半纤维素
? 二, 半纤维素在细胞壁中的分布和作用
? 分布模式,① 围绕纤维轴成同心薄层状态集聚的, 常与非
结晶态的纤维素交织在一起 。 ② 分散分布 。
? 分布浓度：经研究指出 S1层最高, 内向逐渐降低, 在 S2的
中部浓度较低, 且恒定 。
? 半纤维素一般为非结晶状态, 存在于纤维素微纤丝之
间 。 化学性质有些与纤维素相同 。
? 半纤维素 （ hemicellulose） 与纤维素 （ cellulose） 的比
较
? 1,共同点
? 共属于多聚糖，都是甙键连接，可以酯化（乙酰化）
或醚化；在适当条件下水解；在碱性条件下降解；均含游
离羟基具有亲水性。
5.4 半纤维素,
２,不同点：
纤 维 素 半 纤 维 素
? 1.糖基种类 （ 分子结构 ）
? 单糖基构成的高聚物 两种或两种以上的糖基构成
? 2,结构型 （ 分子形态 ）
? 典型的线型高聚糖无侧链 支链型, 主要是线型的但带
? 有各种短侧链 （ 多聚糖 ）
? 3,物理结构
? 由结晶区和无定形区交错 一般无结晶区
? 联接而成的二相体系
? 4,聚合度
? 很高, 平均 7000～ 15000 颇低仅含 150-200个糖基
? 5,在细胞壁中的作用
? 骨架物质 基本物质
? 6,吸湿性和润胀度
? 吸附水只能进入无定形区, 一般为无定形物质, 水分子容易进
? 结晶区对润胀有限制作用 入, 故吸湿性和润胀度比纤维素 高 。
5.5 木材的抽提物
（ The Wood Extractives）
木材的抽提物 是指木材中除构成细胞壁的纤维素, 半纤维素
,木素之外, 经中性溶剂如水, 酒精, 苯, 乙醚, 氯仿, 水蒸
汽或用稀碱稀酸溶液抽提出来的物质的总称 （ 包括除细胞壁以
外, 存在于胞腔中或细胞间隙的淀粉粒, 草酸钙等 ） 。
木材提提物的含量少者约为 1%,多者高达 40%以上 。
含量随树种, 树龄, 树干位臵以及树木生长的立地条件不同
而有差异, 一般心材含量高于边材, 而心材外层又高于心材内
层 。 虽然含量不大, 但不少都是与人类密切相关的药品, 化工
原料, 并对木材加工工艺产生积极或消极的影响 。
5.5 木材的抽提物
? 一, 与木材颜色的关系
? 材色除与木素有关外, 还与抽提物有关, 树种不同, 材色
各异 。
? 二, 抽提物的气味
? 1,香味：檀香木可作檀香扇
? 2,樟脑味：香樟木, 防腐, 防虫蛀
? 3,臭味：少数热带材, 如爪哇吉贝树
三、抽提物对木材物理性质和加工的影响
? 1,磨光作用
? 对强度影响程度不大, 热带材中含树胶, 树脂者耐磨性增
高, 加工时有天然磨光作用, 愈疮木含某种抽提物, 曾用作自
身润滑轮, 船的轴承等 。
? 2,对渗透的影响
? 抽提物抽出之后, 木材渗透性提高 。 因气体渗透系数与浸
提物抽出量成正相关, 原因在于抽提物多存在于胞腔内壁和纹
孔口上, 阻碍木材的渗透性 。 目前的防腐处理尚未采取预抽提,
原因：抽提工艺较贵, 增加成本 。
? 3,对吸湿性, 体积稳定性, 木材干燥的影响
? 某些抽提物的吸湿性比细胞壁物质还大, 所以经抽提之后
木材吸湿性降低, 体积稳定性提高 。 木材干燥中, 在较低温度
下, 水抽提物的存在, 使干缩量减少 （ 膨胀剂作用 ）, 某些树
种在干燥前将抽提物抽出, 可降低皱缩的程度 。
三、抽提物对木材物理性质和加工的影响
? 4,对加工的影响
? （ 1） 对刀具影响：磨损,
腐蚀, 夹锯, 粘带
? （ 2） 对胶合剂的固化有影
响, 使胶合性能变差 （ 因
树种而异 ）
? （ 3） 对油漆的影响, 抽提
物沥滤使漆膜变色, 树脂
酸作用使油漆早期变坏 。
? 5,木材抽提物与工人身体
健康：过敏反应, 皮肤过
敏症：湿疹, 红疹, 水泡
等 。
? 6.对木材表面耐候的影响：
抽提物对木材表面的光化
学反应起着促进作用，增
加了木材表面光降解程度。
5.6 木材的酸碱性质
（ acid-basel properties of wood）
? 一, 木材的 pH值
? 一般泛指木材中水
溶性物质的酸性或碱性
的程度, 通常以木粉的
水抽提物的 pH值表示 。
? 国外一些研究者的研
究结果表明, 世界上绝
大多数木材呈弱酸性,
只有少数木材呈弱碱性,
原因：木材含醋酸, 蚁
酸, 树脂酸和其它酸性
抽提物 。
5.6 木材的酸碱性质
二、木材 pH值的变化
生长（或采伐地域）、贮存时间、树种及木材部位不同
而变化,因树木的生长速度不同而变化,因木材的含水率
不同而变化。
随着干燥木材含水率的降低,PH值降低。其原因是在木
材干燥过程中，木材的抽出物及木材组分发生水解和降解，
木材中不挥发的酸性物质浓度增加，因而木材的 pH值降低。
三、木材的酸碱缓冲容量,
在弱酸（碱 ）及其弱酸（碱 ）盐混合溶液中，能在一
定程度上对外来的酸和碱具有缓冲能力，这种溶液叫做缓冲
溶液 。
木材的水抽提液是具有缓冲能力的缓冲溶液，即木材具
有缓冲容量。
其表征树木在生长期间和木材及其木制品的贮存、加工
或使用期间，对外界酸或碱的平衡或 抵抗能力。
5.6 木材的酸碱性质
（ acid-basel properties of wood）
? 四, 木材酸碱性质与木材加工的关系
? 1,木材的病腐性
? 木腐菌生长所需 pH值的最佳范围 4.5-5.5。
? 当木材 pH>7时，则许多霉菌不能生长，但木材的 pH值大都在
4.5-6.0之间，大于 7.0的极少，故木材是真菌寄生的优良场所。
常用防腐剂对木材进行处理。
? 2,木材对金属的腐蚀
? 绝大多数木材的水抽提物呈酸性, 能使金属腐蚀, 例如常引
起对加工机械, 仪表和工具的腐蚀, 在干燥过程中, 常发现干燥
室的墙壁和干燥设备的腐蚀现象 。
? 3,对木材胶合的影响
? 只对酚醛树脂胶无影响 。 对脲醛树脂胶影响大, pH值过高树
种越不易胶合 。
? 对于碱性高，碱缓冲容易大的树种、胶合时，加大酸固化剂
用量因为凝胶时间随碱缓冲容易的增加而增长。
