§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