密度板生產(chǎn)用的主要植物纖維原料的種類、基本組成和特性

密度板生產(chǎn)所用原料的基本組成是以植物纖維原料為主體，添加合成樹(shù)脂膠粘劑和其他功能性的化學(xué)藥劑，以及合成纖維、無(wú)機(jī)纖維材料等。廣意而言，凡具有一定纖維含量的植物均可作為密度板生產(chǎn)原料，其中以木材為主，非木材植物纖維也可廣而用之。合成樹(shù)脂膠粘劑主要以脲醛樹(shù)脂膠粘劑、酚醛樹(shù)脂膠粘劑為主，還可用其他合成樹(shù)脂膠粘劑；功能性化學(xué)藥劑系指防水劑、防腐防蟲劑、阻燃劑等；合成纖維以及其他無(wú)機(jī)類纖維、物質(zhì)材料與植物纖維原料復(fù)合制成具有特殊用途的密度板。可見(jiàn)密度板生產(chǎn)原料十分廣泛，資源也很為豐富。

密度板生產(chǎn)用的主要植物纖維原料系指木材或非木材植物纖維原料。木材纖維原料是目前密度板生產(chǎn)的主要原材料，主要為針葉材和闊葉材，其中包括它們的“三剩物’’，即采伐剩余物、造材剩余物和加工剩余物，以及灌木和藤類。還可以利用回收的木制品和工業(yè)用廢舊木材，以及制漿造紙工業(yè)的廢纖維原料等。

非木材植物纖維原料主要是竹類和農(nóng)作物秸稈及渣屑類纖維原料。隨著森林資源的減少和對(duì)密度板需求量的不斷增加，非木材植物纖維的利用越來(lái)越被人們重視，預(yù)計(jì)非木材植物纖維的利用在密度板產(chǎn)業(yè)中將占有重要的地位。總之，用作生產(chǎn)密度板的植物纖維原料種類很多，大體可分為木材纖維原料和非木材植物纖維原料。表2-1為密度板常用植物纖維原料的大致分類。

 

木材和非木材植物纖維原料的基本組分，主要包括多糖類的纖維素和半纖維素；屬于芳香族化合物的木質(zhì)素；以及可提取的少量浸提物成分，如樹(shù)脂、揮發(fā)性油類、脂肪、單寧、果膠和色素等。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素屬于組成纖維細(xì)胞壁的物質(zhì)，而浸提物則屬于細(xì)胞的內(nèi)含物，多存在于細(xì)胞腔中。纖維材料的基本性質(zhì)是由組成細(xì)胞壁的物質(zhì)，即纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的性質(zhì)所決定。

纖維素

纖維素是不溶于水的簡(jiǎn)單聚糖，由大量的D葡萄糖基彼此通過(guò)個(gè)與第四個(gè)碳原子用13甙鍵（配糖鍵）連接而成的直鏈巨分子化合物。簡(jiǎn)單分子式為：（C6H1005）們其結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)式為C6H1005，也就是說(shuō)纖維素是由碳44.4%、氫5.17%、氧43.39%三種元素組成的碳水化合物，屬多糖類，咒代表聚合度。聚合度表示纖維素分子內(nèi)葡萄糖基的數(shù)目，在天然狀況下的木、棉、麻纖維素分子平均約含700～1000個(gè)葡萄糖基（n近于1000），所以纖維素為高分子化合物。纖維素分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：

聚合度對(duì)纖維素的機(jī)械強(qiáng)度有明顯的影響。聚合度在700以上時(shí)卜強(qiáng)度與聚合度的關(guān)系不大，但在200～700時(shí)，強(qiáng)度隨聚合度的增加而提高，聚合度在200以下時(shí)，纖維素幾乎喪失了強(qiáng)度，所以在密度板的生產(chǎn)中，應(yīng)盡量避免纖維素分子的過(guò)分降解而影響其產(chǎn)品的強(qiáng)度。纖維素的聚集狀態(tài)有兩種：在大分子較致密的地方，分子鏈平行排列，定向良好形成纖維素的結(jié)晶區(qū)。由于分子鏈與分子鏈之間的結(jié)合力隨著距離的縮小而增大，當(dāng)致密度減少，大分子鏈子之間的結(jié)合程度亦減弱，故存在較大的間隙，排列也趨于不平行，成為纖維素的非結(jié)晶區(qū)（即無(wú)定形區(qū)）。結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)之間無(wú)明顯的界限。纖維素分子長(zhǎng)鏈方向具有連續(xù)結(jié)構(gòu)，一個(gè)大分子鏈，其中，一部分可能位于纖維素的結(jié)晶區(qū)，而另一部分可能位于非結(jié)晶區(qū)，并延伸進(jìn)入另一結(jié)晶區(qū)。

纖維素巨分子鏈相互有秩序地排列，其原因在于纖維素分子鏈上的羥基之間，當(dāng)相互距離在0.25～0.3nm(2.5～3A)以內(nèi)時(shí)，可以形成氫鍵。纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的單位是晶胞，比它大一級(jí)的單位是基本纖絲。晶胞形狀屬單斜晶素。纖維素本身為白色、無(wú)臭、無(wú)味、各向異性不溶于水的高分子物質(zhì)，其密度為1.50～1.56g/cm³，比熱為0.32～0.33。熱傳導(dǎo)沿纖維軸的方向比與軸成直角的方向大。纖維素在偏光下，顯示出各向異性的性質(zhì)。它是一種絕緣體，當(dāng)含有水分時(shí)，其導(dǎo)電性隨含水率增加而增加。纖維素也是一種電介質(zhì)，其電介質(zhì)特性不僅與纖維素分子上的羥基的取向有關(guān)，而且與纖維素的結(jié)晶性（即非結(jié)晶含量的多少）有關(guān)。

纖維素具有吸濕現(xiàn)象。從分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)可以知道纖維素分子具有羥基，羥基是較強(qiáng)的親水性基，能吸著空氣中的水分子，但水分子只能進(jìn)入非結(jié)晶區(qū)。在結(jié)晶區(qū)，由于分子上的羥基形成了氫鍵，所以水分子不能進(jìn)入。纖維素的吸濕能力決定于親水性羥基的多少、纖維素的結(jié)構(gòu)、非結(jié)晶區(qū)的多少以及非結(jié)晶區(qū)大分子鏈排列的疏密程度等。當(dāng)纖維素分子上的羥基被其他所置換后，其吸水性發(fā)生變化。由于纖維素分子結(jié)構(gòu)具有羥基，故會(huì)導(dǎo)致密度板發(fā)生吸濕現(xiàn)象。

由纖維素的物理結(jié)構(gòu)可知，被吸附的水分子只能存在于非結(jié)晶區(qū)的線形纖維素分子鏈之間和結(jié)晶區(qū)的表面上。纖維素水分的增加或減少，必然會(huì)改變纖維素分子鏈之間的距離，從而導(dǎo)致膨脹或收縮。由于親水性的羥基存在于分子鏈之間，所以收縮或膨脹也只限于非結(jié)晶區(qū)的分子鏈之間與結(jié)晶區(qū)表面，而不會(huì)發(fā)生在纖維素分子的軸向。由此可見(jiàn)，密度板的長(zhǎng)、寬、厚三個(gè)方向脹縮率的差異，也主要決定于纖維素排列的方向。用化學(xué)、物理或物理化學(xué)方法使纖維素高分子化合物的尺寸減小和聚合度減小的現(xiàn)象稱之為降解。纖維素降解的類型很多，與密度板生產(chǎn)工藝有關(guān)的主要為酸性水解和熱降解。酸性水解是指纖維素在酸的作用下，縮醛聯(lián)接（p一配糖鍵）的裂開(kāi)。水解反應(yīng)發(fā)生后，纖維素的聚合度下降，還原能力增加，吸濕性增加，在堿液中的溶解增加，機(jī)械性能下降等；熱降解（簡(jiǎn)稱熱解），是纖維素因受熱而產(chǎn)生的聚合度降低過(guò)程。纖維素?zé)峤到獾某潭扰c溫度高低、作用時(shí)間長(zhǎng)短以及介質(zhì)中的水分和氧氣量有密切關(guān)系。經(jīng)高溫加熱的纖維素，其機(jī)械強(qiáng)度明顯降低，變成很脆的物質(zhì)。在200℃以上，長(zhǎng)時(shí)間加熱，可使纖維素的結(jié)構(gòu)全部破壞，分解出氣體和液體。空氣對(duì)熱解速度影響很大，如在高壓下，空氣與水蒸氣聯(lián)合作用時(shí)，能使纖維素迅速分解。但水蒸氣單獨(dú)作用，則沒(méi)有這么大的破壞力。因此在原料纖維化熱磨過(guò)程中的飽和水蒸氣不僅是熱載體，而且對(duì)纖維素又起保護(hù)作用。在隔絕空氣的情況下進(jìn)行高溫加熱，可使纖維素的結(jié)構(gòu)徹底破壞，產(chǎn)生一氧化碳、甲醇、乙酸等氣體，以及焦油和木炭。

半纖維素

半纖維素是一種近似纖維素、屬多糖類的物質(zhì)，又稱木聚糖或稱非纖維素的碳水化合物。其主要成分為多縮戊糖(C₅H₈O₄)孢和多縮己糖(C₆H₁₀O₅)_n。半纖維素各種分子鏈上常常帶有側(cè)鏈，巨分子的聚合度近于200。不同材種的半纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)也不同，每種材料中的半纖維素都包含著幾種不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)的聚糖。與纖維素相比，半纖維素的化學(xué)穩(wěn)定性小，在酸的作用下易于水解，并易局部被堿液萃取。半纖維素是處于淀粉與纖維素之間的物質(zhì)，可以認(rèn)為纖維素是木質(zhì)的骨架物質(zhì)，半纖維素是基本物質(zhì)，而木質(zhì)素則是結(jié)殼物質(zhì)。半纖維素結(jié)構(gòu)與纖維素相比，有以下特點(diǎn)：，半纖維素的主鏈?zhǔn)怯蓛煞N或三種不同糖基所組成的非均一結(jié)構(gòu)，而纖維素鏈全部由葡萄糖構(gòu)成；第二，半纖維素的聚合度大大低于纖維素；第三，半纖維素分子鏈具有一個(gè)或多個(gè)側(cè)鏈，而纖維素僅有直鏈。半纖維素的溶解度，各種半纖維素在水與堿的溶解度與其結(jié)構(gòu)的分枝度（分枝上的糖基數(shù)與主鏈聚合之比）有關(guān)，其相差甚大，對(duì)于同一聚糖，分枝度較高時(shí)溶解度較大。半纖維素的水溶性對(duì)纖維得率及污水處理均不利。

由于半纖維素的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其吸濕、潤(rùn)脹能力比纖維素強(qiáng)得多。這對(duì)提高纖維的塑性和增強(qiáng)密度板產(chǎn)品強(qiáng)度非常有利。但半纖維素含量過(guò)多要導(dǎo)致產(chǎn)品吸水率的升高。半纖維素的降解，在半纖維素分子的鏈中含有各種糖基和聯(lián)接方式，其中有的可以被酸破壞，有的可以被堿破壞。因此，半纖維素的抗酸堿能力要比纖維素弱得多。在密度板生產(chǎn)中，凡有水熱作用的工序都要出現(xiàn)半纖維素的酸性水解降解過(guò)程。

木質(zhì)素

木質(zhì)素為纖維素的伴生物，在木質(zhì)纖維中與半纖維素共同組成結(jié)殼物質(zhì)，存在于胞間層與細(xì)胞壁上微纖維之間。木質(zhì)素的一部分與半纖維素之間存在化學(xué)聯(lián)接。木質(zhì)素是一群物質(zhì)的總稱，各種材種的化學(xué)結(jié)構(gòu)均有不同之處，就是同一種植物中各類細(xì)胞中的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)也有差異。至今，還沒(méi)有一個(gè)方法能把木質(zhì)素從植物的組織中完整地、沒(méi)有任何變化地分離出來(lái)。因此，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的分析和性質(zhì)研究異常困難。一般認(rèn)為，木質(zhì)素是具有芳香族特性的非結(jié)晶的、具有三度空間結(jié)構(gòu)的高聚物。其基本結(jié)構(gòu)是苯基丙烷單元彼此以醚鍵（-C-O—c一）和碳一碳鍵（一C-C一）聯(lián)結(jié)起來(lái)。木質(zhì)素有如下三種結(jié)構(gòu)單元；愈瘡木基丙烷、紫丁香基丙烷和對(duì)羥基苯丙烷。

木質(zhì)素的性質(zhì)：在植物中未經(jīng)分離的木質(zhì)素為白色或淺黃色，各種方法從植物中分離出來(lái)的木質(zhì)素都有較淡或較深的顏色，顏色的改變，說(shuō)明木質(zhì)素在被分離過(guò)程中的變化。木質(zhì)素是無(wú)定型高分子物質(zhì)，無(wú)固定熔點(diǎn)。分離木質(zhì)素因種類不同，其軟化和熔點(diǎn)溫度也不一樣’熔點(diǎn)溫度較低為140～150℃，較高為170----180℃。水分對(duì)木質(zhì)素的軟化有明顯影響，有水存在時(shí)，在100℃就開(kāi)始軟化，到170℃左右就熔化，禾本科植物木質(zhì)素的熔點(diǎn)溫度比木材的木質(zhì)素要低。木質(zhì)素的熱塑性是纖維分離后重新結(jié)合的前提之一。木質(zhì)素的溶解度：原木木質(zhì)素一般不溶于水，但有些植物木質(zhì)素中有很小部分能溶解于水，不同形式的分離木質(zhì)素在水中的溶解度各不相同，如堿木質(zhì)素可溶于水，而酸木質(zhì)素在水中卻不能溶解。

木質(zhì)素能水解和縮合，其反應(yīng)能力很強(qiáng)，可以起各種化學(xué)反應(yīng)，如硝化、鹵化、氫化、氧化、酯化、甲基化等，還可與醇、酚、鹽酸、亞硫酸及其鹽類、氫氧化鈉、硫化鈉等起作用。這些反應(yīng)無(wú)疑對(duì)密度板工業(yè)和制漿造紙業(yè)均很重要。純冷水對(duì)木質(zhì)素?zé)o水解作用，當(dāng)溫度升高后，從木質(zhì)素或半纖維素可分解出少量有機(jī)酸（甲酸和乙酸），使介質(zhì)的pH值降低，從而會(huì)導(dǎo)致木質(zhì)纖維的各組分溫和的酸性水解過(guò)程。特別是在水熱作用過(guò)程中，各組分隨溫度提高和時(shí)間的延長(zhǎng)而水解降解越嚴(yán)重，溶解部分所占比例也越大。纖維中的木質(zhì)素在分離過(guò)程中，因受水熱作用而降解與活化，但在熱壓時(shí)，被活化降解的木質(zhì)素又能重新縮合。雖然不能認(rèn)為木質(zhì)素的重新縮合是熱壓時(shí)纖維相互結(jié)合的主要因素’但在水熱處理木質(zhì)素材料時(shí)，確實(shí)有降解和縮合兩種方向相反的反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。到140～160℃時(shí)，木質(zhì)素縮合反應(yīng)加速，這就是水蒸煮的高溫階段木質(zhì)素溶解速度緩慢的原因之一。水對(duì)木質(zhì)素的縮合反應(yīng)速度有很大影響，當(dāng)水存在時(shí)，高溫下降解的碳水化合物能溶于水，使被活化的降解木質(zhì)素暴露在外，并使之相互接觸而縮合。在無(wú)水狀態(tài)，覆蓋在木質(zhì)素表面的降解碳水化合物起隔離作用，有礙于縮合反應(yīng)進(jìn)行，故木質(zhì)素降解速度比有水時(shí)為大，可見(jiàn)水在高溫時(shí)對(duì)木質(zhì)素起到保護(hù)作用。

水蒸煮時(shí)，在高溫下碳水化合物（特別是聚戊糖）降解產(chǎn)品可以相互聚合或縮合。此外’木質(zhì)素降解產(chǎn)物與碳水化合物降解產(chǎn)物也可能相互聚合或縮合。這些反應(yīng)產(chǎn)品呈腐殖狀態(tài)，與木質(zhì)素相似，不溶于濃硫酸。當(dāng)用硫酸法測(cè)定木質(zhì)素時(shí)，這類縮聚物必然導(dǎo)致木質(zhì)素含量升高。故這種類腐殖質(zhì)的物質(zhì)被稱為假木質(zhì)素或類木質(zhì)素。例如，經(jīng)過(guò)有機(jī)溶劑浸提的松木木片，用170℃水蒸煮4h，溶解木質(zhì)素和木片中殘留木質(zhì)素的總和比蒸煮前木片中木質(zhì)素含量高15.4%0因此，在研究密度板生產(chǎn)過(guò)程中，木質(zhì)素含量的變化時(shí)，對(duì)假木質(zhì)素的影響應(yīng)予以注意。

其他成分

木質(zhì)材料中的少量成分不屬于細(xì)胞的組成成分，一般存在于細(xì)胞腔內(nèi)。其中的大部分（少量果膠等除外）可用中性有機(jī)溶劑（如苯一醇混合液）和水浸出。溶劑浸出物主要有樹(shù)脂、脂肪、蠟等。這種物質(zhì)有利于提高密度板產(chǎn)品的耐水性。在水浸出物中，主要有單寧、淀粉和各種單糖（主要為葡萄糖），某些成分對(duì)密度板生產(chǎn)工藝有一定影響，如單寧與鐵等金屬鹽類呈特殊顏色的沉淀，有損密度板板面色澤，單寧主要存在于樹(shù)皮內(nèi)，除少數(shù)材種外，木質(zhì)部的單寧含量多在1%以下，影響不大。在濕法生產(chǎn)中，使用水浸提物含量很高的原料（如非木本植物）會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的水污染，給水處理帶來(lái)困難。在干法生產(chǎn)中，如松脂含量很高的原料（如馬尾松）又會(huì)給密度板的表面砂光帶來(lái)麻煩。另外，農(nóng)作物秸稈類纖維原料的化學(xué)組分中的灰分和二氧化硅(SiO₂)含量比木材原料要高得多，見(jiàn)表2-20這些物質(zhì)對(duì)刀具和砂帶的磨損以及對(duì)膠粘劑的膠合性能均會(huì)帶來(lái)不利影響。