亚麻纤维的化学成分分析

亚麻纤维是植物纤维，其基本组成为纤维素，所以也叫纤维素纤维。纤维素纤维有很多种，如棉、亚麻、苎麻、黄麻以及黏胶纤维等再生纤维素纤维。这些纤维的主要组成部分虽然都是纤维素，但纤维素以及各种杂质的含量却有很大差别。

亚麻纤维属于植物纤维的韧皮部分，亚麻单根纤维是通过木质素、半纤维素、果胶连接在一起而形成的束状纤维。此外，还含有一些含氮物质、蜡质、灰分以及色素等。通常把亚麻纤维中除了纤维素以外的部分叫纤维素的伴生物。研究这些物质，对于亚麻纤维织物的前处理具有相当重要的意义。

1.木质素　目前单独对亚麻纤维中木质素进行研究的资料还很少见，下面有关木质素知识的介绍都是关于木材中木质素的知识，虽然与亚麻中的木质素会有一定差异，但对于亚麻纤维织物的染整加工仍具有十分重要的参考价值。

木质素在自然界中不是独立存在的。但至今未找出一种理想的能使分离出来的木质素与植物中原来的木质素相同的方法。人们用不同方法所提纯的木质素都不同程度地发生某种结构上的变化，而且分离提纯的方法不同，得到的木质素的结构也不同，因此提到木质素的时候，一般都应指出其提纯的方法。当前大多数人认为，从植物中除去水溶物、苯醇萃取物、纤维素与其伴生物后剩余的物质就是木质素。

而且木质素也不是单一结构的化合物，而是复杂的芳香族的聚合物。木质素的结构比较复杂，一般认为它是由苯丙烷单元构成的高分子聚合物。苯丙烷上的3个碳原子分别称为α、β、γ碳原子。分子中含有多种官能团，如甲氧基、羟基、羰基等。

甲氧基（—OCH3）：实验已经证实，甲氧基连接在芳环上，一般来说比较稳定，在高温及碱性条件下，才能使甲氧基中的甲基脱去形成甲醇。

羟基（—OH）：一种是木质素苯环上的酚羟基；另一种为丙烷脂肪族的羟基。羟基对木质素的化学性质有很大的影响，然而测出的木质素中羟基的含量变化很大。这是由于木质素的化学性质不稳定。经不同的化学处理，木质素羟基不同。温和条件下制备的盐酸木质素每5.0～5.3个木质素单元有一个酚羟基，木质素磺酸则每3.9个中有一个酚羟基。充分缩合的酸木质素几乎没有酚羟基。

羰基（—CO—）：木质素的羰基主要位于脂肪链上，其他部分为酮基或醛基。因此木质素具有羰基的一些化学性质。

双键：已经确定木质素中含有不饱和的双键。

木质素中含有许多官能团，至于亚麻纤维中的木质素的结构是否如此，目前还尚未见诸报道。但相信至少其基本组成是一样的。由于木质素中含有许多官能团，这些基团的存在形式不同，也决定了木质素具有不同的化学性质。

从以上分析可知，木质素是由丙烷单元通过各种类型的键连接而成的高分子，不同连接键所形成的木质素的反应性不同，就是同一个木质素分子，由于各个单元的连接键不同，也表现出一定化学性质的差异。化学反应过程中，有的表现得很活泼，可以发生键的断裂，有的化学性质却比较稳定。长期的研究表明，相同键的活泼性，还受木质素结构单元侧链对位游离酚羟基的影响。为此，许多科研人员把木质素结构单元分为酚型结构和非酚型结构来研究其不同的性能。

所谓的酚型结构单元，凡是木质素结构单元的苯环上含有游离酚羟基的叫酚型结构单元。其特点是结构单元苯环上含有游离的酚羟基，它能通过诱导效应使其对位侧链上的α-碳原子活化，当发生化学反应时，α-碳原子反应能力比较强。如果α-碳原子连接的是芳氧基、烷氧基时，这里的醚键很容易断裂，当断裂后，在α-碳原子上存在羟基，其在化学反应时，极易再引起一些反应，并能引入一些离子。例如，用亚硫酸盐进行煮练时，木质素酚型结构单元侧链上的α芳基醚将会断开，并在该位置上引入HSO-3，如果α位置上为羟基，则可直接在α位上引入HSO-3。可见，酚型结构单元很容易引起化学反应。

所谓的非酚型结构单元，人们把凡是木质素单元中不具有游离酚羟基，而是以酚醚连接到相邻的单元的这类结构单元叫非酚型结构单元。非酚型结构单元的特点是苯环上的酚羟基上有了取代基，难以像酚羟基那样使α-碳原子活化。因此非酚型单元中存在的α-醚键、β-醚键都比较稳定，或者说反应活泼性弱，即使α位置上是醇羟基，其反应能力也比酚型结构的羟基小很多，如果α-醇羟基又被醚化，则此位置就更难以发生化学反应。

因此，木质素的反应能力，与木质素的酚型和非酚型结构有很大的关系。如果使木质素大分子上含有更多的酚羟基或者尽量保护游离的酚羟基不发生缩合反应，将在很大程度上提高木质素的反应活泼性。

由于木质素分子中含有许多官能团和不饱和的化学键，且存在着酚型结构的苯环，因此总的来说，木质素的反应能力是非常强的，它能与含有OH-、SO-3、SH-、S2-等的化学试剂发生反应，也能与一些离子发生取代反应。例如，漂白中氯的取代反应；在氧化反应中，与各种不同的漂白剂，如次氯酸盐、亚氯酸盐、双氧水等都可以发生化学反应。

（1）木质素与亚硫酸盐的反应。中性亚硫酸盐与木质素的反应仅限于酚型结构单元，与木质素起主要作用的是溶液中的HSO-3离子。它使α-碳原子的醚键断裂，生成α-磺酸，因此在中性亚硫酸盐中进行沸煮时，木质素上α-碳原子的磺化反应是一个非常重要的反应。

在该反应中，pH的影响较大。当pH低于7或等于7时，反应是很慢的，只有在中性的条件下才能生成α-磺酸和α、β-二磺酸等。木质素中的部分不饱和的羰基等化学结构也可以被磺化。木质素经过上述与中性亚硫酸盐反应后，会转变成水溶性，从而可以从亚麻纤维中被水洗去除。

（2）木质素与碱液的反应。高温下木质素能与氢氧化钠反应。在此反应中，木质素中的多种醚键如α-芳基醚、α-烷基醚、β-芳基醚以及甲基芳基醚受羟基负离子的作用而断开，使木质素大分子发生降解，从而变成小分子的溶于水的物质而被去除。

（3）木质素与氯的反应。木质素在含氯的水溶液或气态氯的作用下漂白，不但是造纸行业中漂白的基本反应，也是亚麻酸性漂白的重要反应。

氯在水溶液中会生成次氯酸离子、氯离子等。氯是一种强氧化剂，木质素与氯的反应主要有以下几方面。

①苯环上的氯取代反应。这是氯水中的氯离子取代苯环上甲氧基的对位或邻位上的氢原子，其反应很快。

②木质素单元侧链上的氯取代反应。在氯水中，氯离子进攻苯环羟基对位的碳原子，可以取代脂肪族侧链，导致苯环与侧链的断裂，使木质素大分子降解成易溶的产物而易从亚麻纤维中被水洗去除。

③木质素醚键的氧化断裂。在氯水中，氯离子能使木质素分子中的β-芳基醚键氧化断裂，生成醌和相应的醇，而易从亚麻纤维中水洗去除。

④木质素脂肪族侧链脱落物的再氧化。木质素结构单元侧链的脱落物分子中含有原来的或者反应生成的醛基，在氯离子的进攻下，生成正碳离子中间产物后，最终形成相应的脂肪族羧酸，转变成水溶性的物质，易被水洗而去除。

（4）木质素的氧化反应。木质素能被许多氧化剂氧化。例如，亚麻纤维中相当量的木质素的去除就是借助于氧化性的漂白剂，如次氯酸盐、亚氯酸盐以及过氧化氢的漂白过程而完成的。尤其是亚氯酸钠漂白过程中产生的二氧化氯，对于去除亚麻纤维中的木质素效果更加明显。下面主要介绍这些氧化剂对亚麻纤维的木质素的氧化过程。

①次氯酸盐的氧化。由于次氯酸盐在碱性条件下存在次氯酸根离子，具有强烈的与有机物发生反应的能力，它可以作为一种亲核试剂与木质素反应。(www.xing528.com)

②亚氯酸钠的氧化作用。亚氯酸钠在一定条件下会产生二氧化氯，二氧化氯具有很强的氧化作用，它可以使木质素直接氧化成醌型产物，使芳香环裂开生成己二烯二酸酯衍生物，使苯环上的甲基脱落游离出新的酚羟基，还会使木质素发生氯取代反应，苯环和侧链的脱落物会进一步被氧化成草酸、氯乙酸、反丁烯二酸等，从而使木质素具有一定的水溶性。因此，其氧化后基本上变成了小分子的能溶于水的物质，经过充分水洗就可以去除。

③过氧化氢的氧化作用。过氧化氢也是目前亚麻纤维织物漂白的良好试剂，其去除木质素的效果也较好。它与木质素发生的氧化作用主要有：将木质素氧化成甲氧基对苯二酚，接着再氧化成甲氧基对醌；使一部分α-甲基香醇脱去乙醛直接形成甲氧基对苯二酚的形式；使苯环氧化，使甲氧基中的甲基氧化成甲醇而脱出，苯环氧化生成邻醌；使生成的中间产物继续氧化裂解，生成丙二酸、顺丁烯二酸、醋酸等羧酸；除此之外，也会使侧链氧化，生成羧酸的水溶性产物。

总之，亚麻纤维染整加工前去除木质素，一部分是在煮练过程中借助浓碱的作用去除，但绝大多数木质素是在漂白过程中借助漂白剂的氧化作用转变成溶于水的状态而被去除的。在各种氧化剂中，亚氯酸钠和过氧化氢的去除效果最佳。目前，亚麻厂主要采用亚氯酸钠和过氧化氢即亚氧双漂或双氧漂漂白工艺。

2.半纤维素　半纤维素与纤维素都属于多糖类，都是通过苷键连接起来的大分子，在化学性质上有许多相同之处。但半纤维素的相对分子质量小，聚合度比较低，在适当条件下可以水解或生物降解，因此，与纤维素纤维又有很大差异。主要表现为：

（1）分子结构。纤维素是由单一的葡萄糖剩基通过苷键连接起来的均一的聚糖，而半纤维素是由两种或两种以上不同类型的糖通过苷键连接起来的非均一的聚糖。半纤维素分子含有较多的还原性端基，因此比纤维素纤维更易被氧化成羧酸。

（2）分子形态。纤维素纤维分子的直线性和平面性较强，而半纤维素分子往往带有较多的侧链和支链。纤维素纤维分子的聚合度很大，一般为几千或几万，半纤维素分子的聚合度较低，一般在150～200。

（3）组分。纤维素纤维是细胞壁的重要组成部分，而且分子和分子之间形成了较多的氢键，为细胞壁的骨架支柱；半纤维素位于细胞壁骨架周围的基质中，起黏接作用。

（4）超分子结构。纤维素纤维具有的结晶区和无定形区，以微原纤的形式存在于细胞壁中；半纤维素不具有完整的结晶区和无定形区，几乎都呈无定形的状态存在。

（5）物理性质。纤维素纤维和半纤维素都具有羟基，都具有吸湿溶胀性，但由于水分子只能进入纤维的无定形区，因此，半纤维素的吸湿溶胀性要比纤维素纤维大很多。

（6）化学性质。由于纤维素纤维和半纤维素两者超分子结构上的差异，化学性质也有很大差异。半纤维素比纤维素更易被酸水解，且水解的产物也有很大的不同。纤维素水解的最终产物是葡萄糖，半纤维素水解的产物很复杂，主要是戊糖，其次是己糖等。

总之，由于纤维素与半纤维素的结构和超分子结构不同，半纤维素的性质要比纤维素的活泼性大很多。为此，在实际染整加工过程中，可以在一定的条件，彻底去除半纤维素，且不能损伤纤维素。这一点对亚麻纤维的前处理加工是十分重要的。

3.果胶　果胶主要存在于亚麻纤维的初生胞壁和黏合细胞的中间层。韧皮亚麻纤维分子中果胶物质的含量与亚麻植物的成熟度有关，一般成熟度越高，果胶物质的含量越低，纤维素纤维的含量越高。

果胶物质的主要成分是高聚半乳糖醛酸的甲基酯，其中混有多缩阿拉伯糖、多缩半乳糖和其他多糖等杂质。果胶可以用热水、稀酸或草酸铵萃取，然后用酒精或丙酮从溶液中沉淀出来。在天然物质中，果胶以甲基酯的形式存在，但只有一部分羰基被酯化。果胶被分离出来，其中甲氧基的含量取决于酯化的程度，也与其来源有关，其变化范围在9%～12%，部分羰基形成钙盐或镁盐，当形成二价金属盐时，可能产生网状立体结构，此时果胶物质的溶解度降低。

在亚麻纤维中，纤维素被半纤维素层覆盖，它们之间以氢键连接。半纤维素对纤维素纤维的结构起稳定的作用，提高纤维素纤维的机械强度。果胶与半纤维素以氢键的形式连接，纤维素中的含氮物质与果胶也以氢键的形式连接，在纤维的细胞中起桥梁的作用，随着纤维的成熟，细胞壁间出现了木质素，它透过细胞壁与半纤维素和果胶物质形成共价键。由于果胶、含氮物质和木质素在中间层内形成化学键，影响亚麻纤维遇水溶胀的性能，降低了亚麻的可纺性。果胶物质很容易被霉菌和细菌作用，这也是亚麻生物沤麻中去除果胶物质的主要原因。

4.含氮物质　在亚麻纤维中，含氮物质除了蛋白质及其裂解产物外，还有铵盐、硝酸盐和亚硝酸盐。亚麻纤维中含氮物质的含量一般以蛋白质计，约为1.5%，以氮计，为0.24%。亚麻纤维中含氮物质的含量比棉纤维中的高。

含氮物质在热水中煮一定时间，部分蛋白质就会发生水解，在碱存在的条件下，则会发生完全水解而被去除。在染整加工过程中，利用煮练过程的碱，含氮物质会发生水解而被去除，也可以利用蛋白酶的催化水解，将含氮物质从亚麻纤维中去除。

含氮物质与次氯酸钠作用会生成氯胺，生成的氯胺不易水解去除，而且会产生特殊的气味，最好在漂白前先将亚麻纤维中的含氮物质去除干净。如果有一部分含氮物质在漂白过程中生成了氯胺，可以用硫代亚硫酸钠或亚硫酸钠以及过氧化氢去除，不但去氯而且兼有漂白作用。

5.脂蜡质　亚麻纤维中的脂蜡质主要是各种酯类、游离的脂肪酸、高级醇、碳氢化合物的混合物。它们均匀地分布在亚麻纤维中，不像棉纤维那样只分布在初生胞壁上。

脂蜡质的存在会影响亚麻纤维的润湿性与渗透性，不利于染整加工的顺利进行，因此在染整前处理加工前必须完全将其去除。脂蜡质常温下几乎全部为固体，但在煮漂过程中可以借助肥皂的皂化和乳化作用，将亚麻纤维中的脂蜡质去除干净，因此在亚麻纤维煮漂时一定要加入肥皂以及乳化剂等，以使脂蜡质更好地去除干净。

6.灰分　亚麻纤维中的灰分主要存在于韧皮和亚麻的原茎中，它们主要是以磷酸盐和硅酸盐的形式存在。

金属盐在漂白过程中会加速双氧水的氧化分解，影响漂白效果，它也会和染料结合，使染料在染液中形成沉淀或影响染色和印花产品的色泽。因此在染整加工之前，应借助煮练以及煮练后的酸洗，使它们转化为溶于水的盐而被水洗去除。

7.色素　亚麻纤维中存在着天然色素，这些天然色素会影响染色和印花产品的鲜艳度。天然色素之所以具有颜色是由于其具有很大的共轭体系，在氧化剂的作用下，它们会被氧化而破坏发色体系，从而达到消色的目的。这一过程是在漂白过程中实现的。

从以上分析可以看出，亚麻纤维中的化学组分与棉纤维的化学组分相同，但各种组分在不同纤维素纤维中的含量不同，不同纤维素纤维化学组分的含量见表2-2。

表2-2　不同纤维素纤维化学组分的含量（纤维的绝对干重，%）

从表2-2可以看出，麻纤维中纤维素的含量要比棉纤维中的低，各种天然杂质的含量比棉纤维的高，其中亚麻纤维中的木质素、果胶、脂蜡质的含量要比棉纤维的高很多。这些杂质的存在，影响亚麻纤维的润湿性与渗透性，影响亚麻纤维后面的染整加工，因此亚麻纤维前处理的负担要比棉纤维的大。同时由于亚麻纤维属于韧皮纤维，其染整加工要求的条件也比较剧烈，前处理的过程也比较复杂。