2.2.1 植物纤维的细胞壁结构及打浆特性

2.2.1.1 植物纤维细胞壁的结构

一般情况下，纤维细胞壁的微细结构诸如细胞壁各层的厚度、各层微细纤维的排列情况对制浆造纸工艺过程和产品质量都有很大的影响。

图2.2.1 三盘磨浆机结构图

1—涡轮蜗杆调节装置 2—左定盘 3—出料口 4—动盘 5—右定盘 6—磨室外壳 7—进料口 8—机械密封装置 9—前轴承 10—主轴 11—后轴承 12—联轴器

在植物纤维细胞壁的微细结构中，细胞壁具有多层结构，它是由若干个薄层组成，即复合胞间层、初生壁和次生壁。最外层是复合胞间层（ML），胞间层不含微细纤维，其主要成分是木素和半纤维素。向内是初生壁（P），再向内是次生壁。次生壁从外到内由次生壁外层（S1）、中层（S2）和内层（S3）组成。各层的厚度和微细纤维的排列情况有所不同。P层较薄，通常由两个薄层组成，其微细纤维杂乱无章排列，呈疏松的网状。S1层也较薄，通常由4～6层组成，微细纤维呈交叉螺旋排列。S2层最厚，通常由个30～150薄层组成，微细纤维对纤维轴向以较小的角度单螺旋排列。S3层较薄，微细纤维以与纤维轴向几乎垂直方向排列。Fengel提出的细胞壁微细纤维结构模型指出，液体在细胞壁内的运动主要发生在含半纤维素的微细纤维界面上，通常的收缩、润胀过程也主要在这些界面上发生。Page认为，单根纤维强度主要受到S2层微细纤维排列方向的影响，它与纤维轴向的夹角越小，单根纤维强度就越大。

Fengel提出了细胞壁微细纤维结构模型。他认为纤维的最基本结构单元是原微细纤维。它是由约40个纤维素链分子构成，直径大约3nm。原微细纤维之间由单个分子层的半纤维素隔开。16根原微细纤维构成大约直径12nm的微细纤维，其间由半纤维素隔开。由4根这样的微细纤维构成大约直径25nm的这样微细纤维，在微细纤维之间填充着木素和半纤维素的混合物，木素和半纤维素之间存在着化学连接。关于纤维素的聚集状态，目前普遍承认二相结构体系。认为纤维素是由结晶区和无定型区交错连接而成的二相体系，其中还存在着相当的空隙系统。结晶区内纤维素链分子规则排列，有清晰的射线图。无定型区纤维素链分子排列较不整齐，但也不是杂乱无章，链分子趋向与纤维轴向大致相同，只不过是排列不整齐、较松弛。结晶区内纤维素链分子规则排列，结构紧密，密度大，链分子的羟基都形成了氢键，分子间的结合力最强，对强度的贡献最大。无定型区纤维素链分子上的羟基一部分形成了氢键，一部分是游离状的，结合力不如结晶区内的强，对强度的贡献也较小。天然纤维素链分子长度大约5000nm，相当于10000个葡萄糖单元的长度，可穿过若干个结晶区和无定形区，结晶区和无定形区之间没有明显的界线。目前，关于纤维素分子链的结构有两种情况，即伸展链和折叠链，一般认为天然纤维素分子是伸展链。

木素是复杂的芳香族高分子化合物。它在植物中的主要作用是保持细胞壁的疏水性，增加细胞壁的机械强度，增强植物对恶劣环境的抵抗能力。在植物纤维中，木素的存在限制纤维的润胀和酶对纤维的可及度。木素是植物组织进化的产物，它对生物降解产生较强的抵抗作用。木素在植物细胞壁中的分布研究表明，木素在复合胞间层的浓度较高，在次生壁中木素的浓度较低。虽然木素在次生壁的浓度较低，但是由于次生壁的体积在细胞壁中的比例大，所以次生壁中木素的含量最大。

综上所述，微细纤维是细胞壁的骨架，纤维素是构成骨架的物质，木素和半纤维素是微细纤维间的填充物。木素和半纤维素之间存在着化学连接，形成木素与碳水化合物复合物LCC。木素也增加了细胞壁的机械强度。从微生物对各主要成分反应的难易程度来看，半纤维素最易被分解，纤维素次之，木素最难。

2.2.1.2 植物纤维的打浆特性

打浆过程是利用机械作用处理悬浮在水中纤维的过程。打浆作用主要有使细胞壁的位移变形、P层和S1的破除、纤维的切断、吸水润张和细纤维化。另外还有对纤维的压溃、揉搓、扭曲等机械作用。而纤维细胞壁的微细结构对打浆也有很大的影响。打浆的机械作用会使细胞壁上的某些薄弱部位发生弯曲和位移变形。初生壁中的微细纤维杂乱无章的排列，次生壁外层S1中的微细纤维呈交叉螺旋排列，另外P和S1层的木素浓度相对较高。如果不去除，纤维细胞壁的主体部分S2层不能暴露出来，它们在外面紧紧束缚着S2层，会限制S2层的吸水润张和细纤维化，因此打浆初期要把P和S1层去除。P和S1层较薄或S1和S2结合较疏松时，易于去除。亚硫酸盐浆比硫酸盐浆易打浆的原因正是因为在蒸煮过程中，P层和S1层受到较强烈的破坏，从而易于去除。纤维的细纤维化是指细胞壁各同心薄层间发生相对滑动和纤维发生纵向分裂时微细纤维松脱出来的现象。S2层微细纤维的排列情况对打浆有很大的影响。S2层微细纤维的排列为单螺旋时比交叉螺旋容易打浆。S2层微细纤维的排列方向与纤维轴向的夹角越小，纤维越容易纵向分裂细纤维化。