§5木材的化学性质 (The Chemical Properties of Wood) ●木材是天然高分子有机体,和低分子物质组 成。构成木材细胞壁(clwa)的主要物 质是由纤维素( cellulose)、半纤维素 ( hemicellulose)、木素( lignin)等组成 这三种物质的分子结构和性质以及它们之间 的关系,决定了木材的各种性质,并且对木 材的加工工艺和木材产品的特性有很大影响 例如:三者都有OH( hydroxyl),这就 决定了木材具有吸湿性,木材在大气中会失 水千缩和吸湿膨胀,产生了木材体积不稳定 性。另外在胶合过程、涂饰过程中,化学处 理有滞火、防腐、改性、制浆等都涉及到许 多木材化学方面的知识
§5 木材的化学性质 （The Chemical Properties of Wood） ⚫ 木材是天然高分子有机体，和低分子物质组 成。构成木材细胞壁（cell wall）的主要物 质是由纤维素（cellulose） 、半纤维素 （hemicellulose） 、木素（lignin）等组成， 这三种物质的分子结构和性质以及它们之间 的关系，决定了木材的各种性质，并且对木 材的加工工艺和木材产品的特性有很大影响。 ⚫ 例如：三者都有—OH（hydroxyl） ，这就 决定了木材具有吸湿性，木材在大气中会失 水干缩和吸湿膨胀，产生了木材体积不稳定 性。另外在胶合过程、涂饰过程中，化学处 理有滞火、防腐、改性、制浆等都涉及到许 多木材化学方面的知识
§5-1木材的化学组成 (The Chemical Composition of Wood 1.组成木材的物质分类 物质的形成—叶吸收二氧化碳+阳光/根吸收水+无机 盐—光合作用 分类(组成木材的物质) ●①多糖类( polysaccharides) 纤维素和半纤维素 (决定木材的物理—化学性质) ②木素属于芳香族化合物(决定木材的物理化学性 质) ●③抽提物( extractive):树脂、挥发性油类、单宁 色素等(属于细胞内含物有时能影响木材的特性,如 木材的维生素B1,是木腐菌赖以寄生的营养物质,若 把B1去掉,则木腐菌无法寄生,木材可免于腐朽 ●④灰分(ash)(矿物质、无机成分)
§5-1 木材的化学组成 （The Chemical Composition of Wood） ⚫ 1．组成木材的物质分类 ⚫ 物质的形成——叶吸收二氧化碳+阳光/根吸收水+无机 盐——光合作用 ⚫ 分类（组成木材的物质） ⚫ ①多糖类（polysaccharides） ——纤维素和半纤维素 （决定木材的物理—化学性质） ⚫ ②木素属于芳香族化合物（决定木材的物理—化学性 ⚫ 质） ⚫ ③抽提物（extractive） ：树脂、挥发性油类、单宁、 色素等（属于细胞内含物有时能影响木材的特性，如 木材的维生素B1，是木腐菌赖以寄生的营养物质，若 把B1去掉，则木腐菌无法寄生，木材可免于腐朽。 ⚫ ④灰分（ash） （矿物质、无机成分）
2.木材的元素组成和化学组分 ●①元素组成( elemental composition)—比较稳定 不随树种而变动(各树种大致相同) ●碳C:50%氢H:6.4%氧O:42.6%氮N:1% ②化学组分 chemical composition) 纤维素、半纤维素、木素、抽提物 42-45%27-30%20-28%3-5% 纤维素( cellulose):线型大分子结构、结构单元为 链节(葡萄糖基) 半纤维素( hemicellulose):支链型结构 ●木素( lignin):体型结构(芳香族) 少量的灰分(ash):灰分含量约占绝干材重量的 0.3%-1.0%。还有微量的金属元素。 ●针阔叶材各组分的百分率不同,有一定差别
2．木材的元素组成和化学组分 ⚫ ①元素组成（elemental composition）——比较稳定， 不随树种而变动（各树种大致相同） ⚫ 碳C：50% 氢H：6.4% 氧O：42.6% 氮N：1% ⚫ ②化学组分(chemical composition)： ⚫ 纤维素、半纤维素、 木素、 抽提物 ⚫ 42-45% 27-30% 20-28% 3-5% ⚫ 纤维素（cellulose） ：线型大分子结构、结构单元为 链节（葡萄糖基） ⚫ 半纤维素（hemicellulose） ：支链型结构 ⚫ 木素（lignin）：体型结构（芳香族） ⚫ 少量的灰分（ash）：灰分含量约占绝干材重量的 0.3%-1.0%。还有微量的金属元素。 ⚫ 针阔叶材各组分的百分率不同，有一定差别
§5-2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 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。 4444%、H6.17%、O 49.69%(C6H10O3)n 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位置,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
§5-2 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 。 C—44.44% 、 H—6.17% 、 O— 49.69%-（C6H10O5）n ⚫ 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位置，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
§5-2纤维素 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↑一大分子长度↑一强度↑ 溶解度和反应能力↓ n700强度与聚合度关系不明显
§5-2 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↑ ⚫ (n) — 溶解度和反应能力↓ ⚫ n700 强度与聚合度关系不明显
§5-2纤维素 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副价键与另一电负性 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0.3mm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-OC主键力:80-90千卡/摩尔
§5-2 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副价键与另一电负性 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
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 (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 ⚫ 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
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) 纤维素的结构理论以前有两种学说,即两相体系理论 和单相体系理论,其中两相结构理论至今得到普遍认 同。两相体系理论认为,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; 相结构理论没有得到公认,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 ⚫ 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） ⚫ 纤维素的结构理论以前有两种学说，即两相体系理论 和单相体系理论，其中两相结构理论至今得到普遍认 同。两相体系理论认为，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 相结构理论没有得到公认，即纤维素是以无定形相 （形成无定形区）存在
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 构成一定的晶格,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 ⚫ 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 构成一定的晶格，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）
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。晶胞为平行六面体的单斜晶 系,晶胞的大小为: 个轴的长度:b=1.03nma=0.835mmc=0.79mm a轴与c轴之间的夹角β=84° 晶胞体积V=a-bcc0s84°=6757·1024cm3 ●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 ⚫ 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。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
