《植物纤维化学》复习思考题Word格式.docx
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P7
(1)定义
又称总纤维素,指造纸植物纤维原料除去抽出物和木素后所留下的部分(即纤维素和半纤维素的总称)。
(2)制备方法(P7)
氯化法、亚氯酸钠法、二氧化氯法、过醋酸法
以上方法得到的综纤维素都含有少量的木素,而且制备过程中往往使得少量碳水化合物被溶出。
5.如何自综纤维素制备α-纤维素?
并指出其化学组成。
P8
(1)用17.5%NaOH或(24%KOH)溶液在20℃下处理综纤维素或漂白化学浆45min,将其中的非纤维素碳水化合物大部分溶出,留下的纤维素及抗碱的非纤维素碳水化合物,分别称为综纤维素的α-纤维素或化学浆的α-纤维素。
(2)α-纤维素包括纤维素和抗碱的半纤维素
6.如何自漂白化学浆制备α-纤维素、β-纤维素、γ-纤维素?
并指出各自的化学组成。
(1)α-纤维素
用17.5%NaOH或(24%KOH)溶液在20℃下处理综纤维素或漂白化学浆45min,将其中的非纤维素碳水化合物大部分溶出,留下的纤维素及抗碱的非纤维素碳水化合物,分别称为综纤维素的α-纤维素或化学浆的α-纤维素。
(用英文翻译)
包括纤维素和抗碱的半纤维素
(2)β-纤维素和γ-纤维素
用漂白化学木浆制备α-纤维素时,处理中所得到溶解部分,用醋酸中和沉淀出来的那部分为β-纤维素,不沉淀部分为γ-纤维素。
β-纤维素包括高度降解的纤维素和半纤维素,γ-纤维素全为半纤维素。
7.如何制备CrossandBevan纤维素?
采用氯气处理湿润的无抽提物试料,使木素转化为氯化木素,然后用亚硫酸及约含2%亚硫酸钠溶液洗涤、以溶出木素。
重复以上处理、直至加入亚硫酸钠后仅显淡红色为止。
半纤维素的溶出较多,残留少量木素。
8.如何制备硝酸乙醇纤维素?
用20%的硝酸和80%乙醇的混合液,在加热至沸腾的条件下处理无抽提物的试样,使其中的木素变为硝化木素、溶于乙醇中而被除去,所得残渣既为硝酸乙醇法纤维素。
此法结果最差,部分纤维素和大部分半纤维素被降解,含量更低。
9.写出有机溶剂抽出物的定义、并指出常用的有机溶剂有哪些?
P9
有机溶剂抽出物:
用中性有机溶剂抽提植物纤维原料,溶解在溶剂中的有机物。
常用的有机溶剂:
水、稀碱、苯、乙醇、苯-醇混合液、乙醚、丙酮、石油醚
10.写出针叶材、阔叶材和草类原料、各自的有机溶剂抽出物的化学组成及存在的位置?
P9—P13
(1)针叶材的抽出物
①针叶木中,松木和柏木的有机溶剂抽出物的含量是比较高的(尤其在心材中),其主要成分为松香酸(RosinAcids)、萜烯类化合物、脂肪酸(FattyAcids)及不皂化物。
②针叶木有机溶剂抽出物主要存在于树脂道和射线薄壁细胞中,心材含量比边材含量高。
(2)阔叶材的抽出物
阔叶木的抽出物主要含游离的已酯化的脂肪酸、中性物、多酚类化合物,不含或只含少量松香酸。
主要存在于木射线和木薄壁细胞中。
(3)禾本科植物原料的抽出物
①主要成分是蜡质,少量高级脂肪酸和高级醇
②抽出物含量低
③主要存在于禾本科原料表皮层的外表面
④量少,对生产过程及废液的回收利用的影响不大
11.写出果胶质的分子结构式、并说明果胶质存在于哪些植物中?
P20
Ø
主要存在于胞间层(M)和初生壁(P)
果胶质含量:
针叶木及草类的果胶质含量很少(阔叶木>
针叶木和草类)。
麻、棉杆皮、桑皮、檀皮含果胶质较多。
所以韧皮纤维原料制浆中所要解决的主要矛盾(脱胶)与木材和草类不同(脱木素)。
12.写出植物纤维的定义。
植物纤维(plantfibre)是广泛分布在种子植物中的一种厚壁组织。
它的细胞细长,两端尖锐,具有较厚的次生壁,壁上常有单纹孔,成熟时一般没有活的原生质体。
植物纤维在植物体中主要起机械支持作用。
13.试述死亡细胞壁的构造。
纤维细胞壁的微细结构模型图(参照课本P43图1—28)
14.叙述木材的粗视结构。
P22
☞木材的三个切面:
横切面、经切面、弦
切面
☞树心
☞树皮
☞形成层
☞木质部(早材、晚材、年轮、生长轮、
边材、心材、环孔材、散孔材)
15.植物细胞壁上纹孔的功能及种类?
P63—64
功能:
⏹纹孔是相邻细胞间的水分和养分的通道。
⏹蒸煮液通过纹孔渗透到细胞内部使其与木素进行反应,小放气可以震破孔膜,利于药液渗透,使原料得到均匀蒸煮。
针叶木纤维细胞都是具缘纹孔。
阔叶木都是单纹孔,只有少量是具缘纹孔,有些甚至无纹孔,具缘纹孔比单纹孔更有利于药液的渗透。
蒸煮木材和竹子要多次放气。
阔叶木单纹孔,纹孔口小,不利于药液渗透,难于蒸煮
16.如何将木材植物细胞进行分类?
17.叙述针叶材的生物结构、并指出其含有哪几种细胞及含量百分比?
P17
生物结构看书本上的图P17
针叶材中的细胞最主要是管胞,并有少量的木射线,一般不含导管
(1)管胞:
针叶木的最主要细胞,形似纺锤状;
占针叶木细胞总数的90%-95%,具有输导水分和支撑树木的双重作用。
(2)木薄壁组织:
针叶材中的射线细胞,含量少,壁薄腔大,长度小,呈长方形,径向排列,胞腔内含树脂;
在木质部称为木射线,在韧皮部称为韧皮射线;
一般为单列,且无异型射线,通过纹孔与其他细胞相通,是细胞间横向流通的通道,具有储存营养的作用、
(3)树脂道:
是部分针叶木独有的特征,是由若干个分泌细胞所围成形的一种胞间道。
它不是一个细胞也不是组织而是细胞间隙,中间充满树脂,故称为树脂道。
分为轴向树脂道和径向树脂道,两者互相沟通,形成树脂道网。
18.叙述阔叶材的生物结构、并指出其含有哪几种细胞及含量百分比?
P18
(1)木纤维:
阔叶木的纤维细胞,是阔叶木的主要细胞和支持组织。
大部分阔叶材的纤维细胞含量为60~80%。
纤维细胞含量明显低于针叶木纤维细胞含量,造纸价值不如针叶木。
般不用于单独抄造高强度纸张。
(2)管胞:
阔叶材中的管胞短而少,形态与针叶木中的管胞相似,纹孔为具缘纹孔,纹孔缘明显,纹孔直径大于或等于导管细胞侧壁上的纹孔直径。
(3)导管:
由一串具穿孔的管状细胞所构成,是阔叶木中的水分输导组织。
约占阔叶材总体积的20%;
以导管的细胞壁的增厚情况不同,可分为五种类型:
环纹导管、螺旋状导管、梯形导管、网纹导管、纹孔导管;
导管的大小和分布影响制浆过程中药液的浸透。
(4)薄壁细胞:
轴向薄壁组织:
纺锤状薄壁组织细胞、木薄壁组织束;
含量分布变化较大:
从小于1%至24%不等
(5)木射线细胞:
同型木射线:
只有径向排列的木射线细胞;
异型木射线:
既有直立的又有横卧的细胞
19.叙述草类原料的生物结构、并指出其含有哪几种细胞及含量百分比?
P33
①纤维细胞
♓是禾本科植物纤维原料的最主要细胞,禾秆的支持组织。
♓形态:
两端尖削,腔小。
纤维长度1.0~1.5mm(一般<
2mm),宽一般10~20µ
m。
♓纤维含量低,40~70%
②薄壁细胞(Parenchyma)
◈壁薄腔大,形状多样(杆状、长方形、正方形、球形、枕头形等),长度较短
◈含量高,草类达46%。
又称为基本组织(禾本科原料的一大缺点)
③表皮细胞
长细胞和短细胞(硅细胞、栓质细胞)
④导管和筛管
Ü
导管细胞含量高,直径大
⑤石细胞
细胞壁极度增厚,细胞腔极小,常木质化、栓质化或角质化。
非纤维状,尺寸小,洗涤过程易随水流失。
主要存在于竹子中
20.从细胞形态的角度分析、哪种植物纤维原料为造纸的优质原料?
棉花纤维以及棉短绒中,纤维素以外的杂质含量最低,因而具有制浆、漂白工艺最简单,造纸价值最高等特点。
针叶材、阔叶材和禾本科三类原料相比,针叶材的木素含量最高,阔叶材次之,禾本科原料(除竹子外)木素含量最低。
禾本科原料较易蒸煮、漂白,生产工艺条件需温和些;
针叶材原料较难蒸煮、漂白,工艺条件需强烈些;
阔叶材原料制浆、漂白难易程度则介于两者之间。
三类原料的半纤维素含量(及组成)明显不同,半纤维素含量高的原料,碱法浆得率高,纸浆易吸水润涨,成纸具有紧度高、透明度高等特点。
木材原料的有机溶剂抽出物含量高,既赋予原料特有的颜色、特殊用途及经济价值;
也将对制浆生产及工艺操作,废液回收,纸浆漂白剂白度稳定性方面造成影响。
并且,阔叶材原料所造成问题会更突出一些。
禾本科原料的灰分含量明显比木材原料的高;
且其主要成分是二氧化硅,对草浆洗涤、漂白液回收等方面造成影响。
碱法制浆时,增加碱回收的“硅干扰”;
酸法制浆时,会引起纸的纸病。
韧皮纤维原料中果胶质含量较高,由于果胶质与金属离子的特殊关系,韧皮纤维原料中的灰分含量也较高。
21.解释下列名词概念并写出数学表达式:
长宽比、壁腔比、纤维数量平均长、纤维重量平均长、纤维长度分布频率。
P44—P48
长宽比:
纤维长度与纤维宽度的比值
壁腔比:
细胞壁厚度与细胞腔直径的比值。
柔软性!
Runkel曾经指出:
壁腔比<
1很好原料
壁腔比=1好原料
壁腔比>
1劣等原料
22.叙述这些纤维形态学指标与纸张性能之间的关系。
P43
(1)长宽比:
长宽比大,成纸时单位面积中纤维之间相互交织的次数多,纤维分布细密,成纸强度高;
反之成纸强度低
(2)壁腔比:
壁腔比小的纤维,成纸时纤维间的接触面积较大,结合力强,成纸强度高;
反之,纤维僵硬,纤维间接触面积小,结合力小。
对耐破度影响最为显著。
壁腔比<
1很好原料、壁腔比=1好原料、壁腔比>
1劣等原料;
值得注意的是,纤维的壁腔比并非越小越好。
壁腔比太小的纤维,其本身的强度太差,成纸的强度仍不高。
虽然其柔软性好,成纸紧度高,但成纸强度不高。
(3)纤维粗度:
纤维粗度大,成纸粗糙,平滑度低,强度下降,但松厚度增加;
纤维粗度小,成纸的平滑度好,纸的裂断长、耐破度、撕裂度和耐折度增加,但松厚度下降
23.简述针叶材管胞的超结构。
图参照课本P23、P181
微细结构(ultrastructure):
原料中超越普通光学显微镜的分辨能力的细节。
植物细胞的微细结构包括:
纤维、导管、薄壁细胞等的微细结构。
24.叙述草类原料纤维细胞的超结构与针叶材管胞超结构的异同?
P52图1—32、33与P57图1—40
第二章思考题
1.针叶材细胞壁中木素是如何分布的?
2.阔叶材细胞壁中木素是如何分布?
并与针叶材比较。
3.在分化的细胞壁中木素是如何沉积的?
•观点一:
–木素最初的堆积开始于次生壁形成前的嫩的细胞角隅部分;
–(S1形成期)以细胞角隅为起点沿着初生壁进行木化,
–(S2形成期)复合胞间层的全部进行木素的堆积,S2层外部木化,S2层内部木化,持续到S3形成期,ML层木化结束。
–随着细胞的成熟,S2层木化程度增加,S3层木化.
•观点二:
–木素最初的堆积发生在细胞角隅的初生壁,然后沿切向和径向扩展到复合胞间层,再到细胞角隅的CML,最后是细胞壁各层的木化。
4.木素的分离方法分为几大类?
各自的缺点是什么?
P78
按分离原理不同,可分为两大类:
•第一类:
溶出碳水化合物,保留木素(木素作为残渣)
将无抽提物木粉经水解除去聚糖(纤维素、半纤维素),木素则以不溶性残渣分离出来。
如:
硫酸木素、盐酸木素。
这种方法分离的木素其结构已被破坏发生了变化。
•第二类:
直接溶出木素(木素被溶解而分离)
选用与木素不起反应溶剂,将木材中的木素抽提出来或将木素转变成可溶性的衍生物,再用适当溶剂抽提。
如磨木木素、纤维素酶解木素(中性有机溶剂),二氧六环(dioxane)木素、乙醇木素(酸性有机溶剂)等,木素结构接近原本木素。
这种方法往往不能得到木素量的全部,得率低。
5.如何制备Klason木素、并说出此法的缺点及主要应用范围?
P81
硫酸木素(Klason木素)
用72%H2SO4处理无抽提物的试样,溶出高聚糖,保留的残渣即为硫酸木素,或Klason木素。
该方法由于在制备过程中发生了缩合反应,不适用于结构研究,广泛应用于定量分析
6.为什么用Klason木素测定方法、测定草及阔叶材木素时,必须同时测定酸溶木素?
•实际上有少量木素溶于酸液——酸溶木素。
•酸溶木素的含量:
•针叶材<
1%
•阔叶材3~5%
•禾草类原料>
总木素=酸不溶木素+酸溶木素
7.为什么Brauns“天然木素”不能代表原本木素?
原本木素(protolignin):
以天然状态存在于植物体中的木素。
布劳斯(Brauns)天然木素得率比较低,只是纯天然木素的低分子量部分,通常含有木聚糖和聚酚类物质。
8.如何制备磨木木素(MWL)?
并说出其主要应用范围?
贝克曼(Bjö
rkman)木素(MWL)
•又称磨木木素(MilledWoodLignin),其制备方法:
•将充分干燥的脱脂木粉在振动式球磨中,在干燥状态下磨碎48h或者更长(一周),然后利用含少量水的二氧己环(9:
1)进行抽提,抽提液经浓缩,得到粗磨木木素。
将此粗磨木木素溶于90%的醋酸中,再注入水中沉淀,经干燥而制得MWL。
为了进一步精制,将其溶解于1,2-二氯乙烷和乙醇(2:
1)的混合液中,再注入乙醚中进行沉淀,之后洗涤、干燥。
•这种木素主要用于研究木素的结构。
9.通过木素的KMnO4氧化分解得出什么结论?
P87
10.通过木素的碱性硝基苯氧化得出什么结论?
P88
◆分解产物中含有大量的香草醛,体现了木素的芳香性。
◆产物中还含有紫丁香醛(酸)、5-甲酰基香草醛(酸)以及对羟基苯甲醛,证明了木素是由愈疮木基、紫丁香基和对羟基苯基三种结构单元构成。
◆不同原料的木素其硝基苯氧化产物不同,每种氧化产物的含量也不一样。
11.通过木素的乙醇解得出什么结论?
P90
☐木素乙醇解的产物为一系列的希伯特酮的多种酮类化合物。
☐针叶材主要产物有五种,都有愈疮木基,说明针叶材木素的单体是愈疮木基丙烷单元。
☐阔叶材木素乙醇解产物有十种,比针叶材增加五种紫丁香基型产物,说明阔叶材木素是由愈疮木基丙烷和紫丁香基丙烷单元构成。
☐草类木素乙醇解产物有十五种,除上述十种外,还有五种对-羟基苯基结构的产物,说明草类木素是由愈疮木基丙烷、紫丁香基丙烷和对-羟基苯丙烷单元构成。
12.如何应用紫外光谱和红外光谱对木素进行研究?
P98
木素的紫外吸收光谱(Ultravioletspectra
☐根据:
木素的芳香族化合物对紫外光具有特性吸收。
而其他合成聚合物(包括碳水化合物)和多种溶剂在紫外光区没有特性吸收。
☐广泛用作木素的定性研究
☐典型的针叶木木素:
⏹205nm和280nm处有2个强吸收峰
⏹230nm和330到340nm有较弱的吸收
⏹在260nm处的吸收最弱
木素及其模型物的红外吸收光谱(IR)
☐根据红外吸收光谱,可以研究木素的结构及变化,确定木素中存在的各种功能基及各种化学键。
因为各种功能基和化学键在红外光谱中的特定频率都已经知道(参考标准图谱)。
☐木素的定性研究,操作简便,样品不需要溶解在任何溶剂中,且需要的样品量很少
☐用红外光谱能很容易地比较不同方法分离的木素
13.木素结构单元间的联接方式有哪几种?
并说明其比例及化学稳定性?
P108、P109、P111(必考!
!
)书本一定要看才能理解
☐醚键(etherbonds)联接和碳-碳键联接
☐碳-碳键——30%~40%;
醚键——60%~70%:
酚醚键(烷基芳基醚键、二芳基醚键)、甲基芳基醚键(木素结构单元内)、二烷基醚键。
☐缩合型(condensedtype)和非缩合型(uncondensedtype)联接
缩合连接属于碳-碳键联接,而不是单独的一类联接。
缩合联接:
β-O-4连接(最重要的木素分子结构单元)、β-5连接、β-1连接、5-5连接、4-O-5连接、β-β连接、β-6连接和β-2连接、其他连接方式
碳-碳键、二芳醚键比较稳定,α-芳基醚、β-芳基醚及α-烷基醚有较大的活性,易发生化学反应而断裂。
14.写出木素—碳水化合物(LCC)的联接键型及联结点糖基?
P116必考
☐木素-碳水化合物之间的联接键型
(1)α-醚键结合I
葡萄糖基第6个碳原子上的羟基与木素结构单
元侧链α碳原子之间构成的α-醚键结合。
对酸敏感。
(2)苯基糖苷键II
木素结构单元上的酚羟基与碳水化合物的苷羟基之间形成的键。
(3)缩醛键III
木素结构单元侧链上γ-碳原子上的醛基与碳水化合物的游离
羟基之间形成的联接。
对酸稳定,结合牢固
(4)酯键IV
葡萄糖醛酸的羧基与木素结构单元侧链上的羟基之间的结合。
对碱敏感
(5)由自由基结合而成的-C-O-或-C-C-结合(V)也是一种
醚键结合,对水解的抵抗性更强。
小结:
I,II,III三种结合形式存在的可能性较大。
一些实验结果说明:
半乳糖、阿拉伯糖和木糖单元是作为木素与半纤维素之间的联结点糖基
15.叙述木素的结构单元在酸、碱介质中基本变化规律?
P120
碱性介质中
酚型结构单元(Ⅰ)
酚羟基极易离子化以酚阴离子的形式(Ⅱ)存在,诱导效应,使得对位侧链上的α-碳原子上的醚键极易断裂,形成亚甲基醌结构(Ⅲ)。
非酚型的木素结构单元不能形成亚甲基醌结构
酸性介质中
具有苯甲基醚结构的酚型和非酚型结构单元(I)在酸性条件下变成—盐形式的醚基团(Ⅱ),然后α-醚键断裂,形成正碳离子(Ⅲ)
正碳离子亦呈4种形式存在。
16.烧碱法制浆中、木素大分子中哪几种化学键断裂?
4种醚键断裂:
通过木素大分子中酚型α-芳基醚键的断裂,酚型α-烷基醚键的断裂,非酚型结构基团在α-原子上连有OH基时的β-芳基醚键的断裂和苯环上芳基甲基醚键的断裂,导致新的酚羟基的生成
17.硫酸法制浆中、木素大分子中哪几种化学键断裂?
酚型结构基团的β-芳基醚键的断裂
甲基芳基醚键的断裂
18.酸性亚硫酸盐和亚硫酸氢盐法制浆中、木素大分子中哪几种化学键断裂?
P132
19.中性和碱性亚硫酸盐法制浆中、木素大分子中哪几种化学键断裂?
P129、P131
20.叙述木素大分子在氯化过程中的反应。
P135
▪木素中酚型和非酚型单元与氯反应,受到氯水溶液中正氯离子的作用,发生苯环的氯化,醚键的氧化裂解,侧链的氯亲电取代断开以及侧链碎解物的进一步氧化作用,最终生成邻醌(来源于苯环部分)和羧酸(来源于侧链部分),并析出相应的醇,从而使木素大分子碎解并溶出。
21.叙述木素大分子在碱处理过程中的反应。
P121—P131
内容比较丰富,大家自己看课本
22.叙述木素大分子在次氯酸盐漂白过程中的反应。
P139
▪次氯酸盐主要是攻击苯环的苯醌结构(benzenequinone)和侧键的共轭双键(conjugateddoublebonds)或缩合型木素(condensedligninstructure)
▪与木素发色基团发生亲核加成反应,形成环氧乙烷中间体,最后进行碱性氧化降解,最终产物为carboxylicacidcompoundsandcarbondioxide。
▪如果木素结构单元间尚存在酚型α-芳基醚或β-芳基醚连接,则这些连接将会断裂并进一步降解为有机羧酸和CO2
23.叙述木素大分子在氧碱漂白过程中的反应。
P142—P148
24.叙述木素大分子在H2O2漂白过程中的反应。
P142
▪木素与过氧化氢的反应,过氧化氢主要消耗在醌型结构的氧化、木素酚型结构的苯环及含有羰基和具有α、β烯醛结构的侧链的氧化上;
▪结果使得侧链断开并导致芳香环氧化破裂,形成一系列的二元羧酸和芳香酸;
▪同时,苯核上还发生脱甲基反应。
第三章思考题
1.纤维素生物合成的母体是什么?
碳水化合物的母体——糖核苷酸,形成细胞壁的聚糖。
纤维素是由UDP-D-葡萄糖合成的。
UDP-葡萄糖是在细胞质中靠胞质酶合成的。
2.叙述高分子化合物多分散性的基本概念。
分子量的多分散性亦称为分子量的不均一性,描述纤维原料中不同分子量(聚合度)的组分在原料中的存在情况。
分子量的分布范围越小,说明纤维素分子量越均一。
纤维素的多分散性对其化学反应性能和纤维的力学强度是有影响的。
3.写出数均分子量、重均分子量、黏均分子量的数学表达式及Mn、Mw和Mη之间的关系。
P166
①数均分子量:
定义:
纤维素体系的总质量被分子的总个数所平均。
通常用渗透压、蒸汽压方法测定
Mn=ΣniMi/Σni=ΣNiMi(即数均分子量等于数量分数Ni与分子量Mi乘积总和)
②质均分子量定义:
按质量统计的平均分子量。
通常由光散射法测定
Mw=ΣmiMi/Σmi=ΣWiMi
③粘均分子量定义:
用溶液粘度法测得的平均分子量
[η]=KMα
4.叙述黏度的基本概念并写出几种高分子溶液的黏度的定义。
P169
粘度是液体流动时的内摩擦力。
内摩擦力较大,流动较慢,粘度较大;
反之,粘度较小,流动较快。
a、相对粘度ŋr
表示在同温度下溶液的粘
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