种常用造纸纤维的细胞壁结构与组成简介

打浆就是通过物理机械的作用使得纸浆纤维产生挤压、变形、切断、润胀、细纤维化等一系列的作用。打浆的结果使纤维发生弯曲、扭曲、卷曲、撕裂、压溃和切断。成浆纤维无论在纤维性质或者滤水性能都发生了显著的变化，这些变化对造纸机生产过程和成纸的质量指标都具有决定性的影响。为更好地学习纤维打浆的原理，首先需要对各种常用造纸纤维的细胞壁结构和组成进行简要的了解。

1. 纤维细胞壁的层间结构

植物纤维细胞壁分为胞间层、初生壁和次生壁。木材纤维、棉纤维的细胞壁结构如图2-1、图2-2所示。

图2-1 木材纤维细胞壁结构示意图

图2-2 棉纤维细胞壁结构示意图

胞间层（M）是细胞之间的连接层，厚度为1～2μm，木素为主要成分，纤维素成分极少。

初生壁（P）是细胞壁的外层，与胞间层紧密相连，厚度很薄，为0.1～0.3μm，主要成分为木素和半纤维素。

次生壁（S）是细胞壁的内层，次生壁由次生壁的外层（S₁）、中层（S₂）和内层（S₃）组成。

次生壁外层（S₁）由若干层细纤维的同心层所组成，厚度较薄，为0.1～1μm，是纤维细胞P层向S₂层的过渡层，主要成分为木素和半纤维素。

次生壁中层（S₂）由许多细纤维的同心层所组成，是纤维细胞壁的主体，厚度最大，为3～10μm，占细胞壁厚度的70%～80%，纤维素和半纤维素含量高，木素含量少。微纤维的排列呈螺旋单一取向，几乎和纤维轴向平行（缠绕角0°～45°）。S₂层是打浆的主要对象。

次生壁内层（S₃）由层数不多的细纤维的同心层所组成，厚度也很薄，约0.1μm，在纤维壁中所占的比例不到10%，木素的含量低，纤维素含量高。

2. 纤维细胞壁的微细纤维

胞间层（M）主要由木素组成，微纤维很少，需打浆中破除此层。初生壁（P）含有微纤维，并含有大量的木素结构，致使初生壁不吸水而能透水，不易吸水润胀，微纤维在初生壁上做不规则的网状排列，像套筒那样束在次生壁（S）上，阻碍次生壁与外界接触，有碍纤维的润胀和细纤维化，故在打浆中需破除初生壁层。S₁层含有细纤维，并含有大量木素结构，同时微纤维排列的方向几乎与纤维的轴向垂直（缠绕角70°～90°），不规则地交织在纤维壁上；S₁层和P层结合较紧密，但S₁层的微纤维的结晶度更高，对化学和机械作用的阻力较大；S₁层和P层都会限制S₂层的润胀和细纤维化，打浆时需打碎此层。S₂层主要由微纤维组成，木素含量少，同时微纤维的排列呈螺旋单一取向，几乎和纤维轴向平行（缠绕角0°～45 °），S₂层是打浆的主要对象。S₃层含有细纤维，木素含量低，化学性能稳定，微纤维的排列与S₁层相似，与纤维轴向的缠绕角约70°～90°。在打浆中一般不考虑S₃层。

细胞壁各层微纤维的排列以及细胞轴向的缠绕角大小，对纸浆纤维打浆的影响很大，缠绕角小的纤维容易分丝帚化，反之缠绕角大的分丝帚化困难。单根纤维的强度主要取决于S₂层微细纤维与细胞轴向的缠绕角，缠绕角越小，纤维越长，单根纤维的强度则越大，但伸长率则越小。

图2-3 植物纤维细胞壁的层间结构

A—纤维细胞束 B—纤维细胞 C—微细纤维 D—原微细纤维E—亚原微细纤维 F—纤维素晶体 G—纤维二糖

植物纤维细胞壁的层间结构，并非均一的结构，细胞壁各层是由细纤维以不同的排列所构成，细纤维又由微纤维所组成，微纤维又由次微纤维所组成，次微纤维可进一步水解分裂为原细纤维，原细纤维又由纤维素微晶体所组成，纤维素微晶体又由葡萄糖基经氧桥连接所构成，如图2-3所示。(www.xing528.com)

不同种类的植物纤维原料的杂细胞在含量、种类和形状上存在很大的不同。同属木材纤维原料中的针叶木和阔叶木的杂细胞也存在很大的差异，不同的非木材原料杂细胞差异更大。

1. 针叶木杂细胞

一般而言，木材的杂细胞含量少，只有1.5%左右（面积法下同）。针叶木杂细胞包括木射线薄壁细胞和木射线管胞，两者形态相似，均为砖形。木射线薄壁细胞初生壁的微细纤维像纤维细胞那样，是网状结构，次生壁也分为3层，相当于S₁、S₂与S₃层，其中S₃层微细纤维的取向几乎平行于细胞轴。S₁层、S₂层微细纤维与细胞轴呈30°～60°角。

2. 阔叶木杂细胞

阔叶木杂细胞包括导管细胞、木薄壁细胞、木射线薄壁细胞等。杂细胞含量较多，在17%～27%（面积法）。阔叶木（水青冈树属一种）的横卧木射线薄壁细胞的细胞壁包含有P层、S₁、S₂和S₃层，其中S₂层最厚，其中S₁层与S₂层微细纤维的取向与细胞轴呈60°～80°角，S₃层的微细纤维取向与轴平行。

3. 非木材类杂细胞

非木材类杂细胞如竹类接近20%～30%，其他草类一般在40%～60%。其中禾草类杂细胞包括有薄壁细胞、表皮细胞、导管细胞等。

（1）麦草

麦草的杂细胞主要有薄壁细胞、表皮细胞、硅细胞、导管等，约是全部细胞的38%，薄壁细胞是草浆中主要的杂细胞，其特点是胞壁薄，容易变形破碎，壁上大多有纹孔。麦草的薄壁细胞形状有杆状、长方形、椭圆形等数种，其中以杆状为主，占杂细胞总数的一半左右，其胞壁上有网状加厚结构。麦草锯齿状的表皮细胞较稻草粗大、齿形尖、齿距大小均匀，麦草的导管有螺纹导管、环纹导管及纹孔导管3种，其中以纹孔导管最长。

麦草的薄壁细胞分为3层，S₁、S₃层较薄，而S₂层较厚，S₁层的微纤维呈网状排列，S₃层的微纤维则是平行排列。麦草的导管细胞壁分为P、S₁、S₂、S₃共计4层，S₃层很明显。薄壁细胞无纹孔部位，P层的微细纤维呈不规则的交织，S₁层微细纤维呈稍微地交叉，S₂层的微细纤维则与纤维轴平行或是形成轴向偏角不大的螺旋，而S₃层的微纤维呈交织状。麦草的薄壁细胞在化学组成上与纤维细胞相像，分别为综纤维素76.43%，76.70%；木素22.80%，19.52%。但是薄壁细胞在制浆漂白中的残余木素较难脱除，薄壁细胞的残余木素对纸浆的白度影响较大，易引起纤维磨浆困难。

（2）龙须草

龙须草的杂细胞含量较少，以表皮细胞为主，其次是薄壁细胞、石细胞、导管细胞等，龙须草的纤维形态特征如表2-1所示。表皮细胞边缘为锯齿形、齿形短秃，或者一面有齿，或者两面有齿，茎秆中表皮细胞长为90～180μm，宽约8μm。表皮细胞壁较薄，与纤维细胞类似，为多层结构。

表2-1 龙须草的纤维形态特征

（3）芦苇

芦苇的导管细胞和薄壁细胞其共同的特点是细胞壁薄。与纤维细胞类似，薄壁细胞壁分为3层，即初生层、次生壁外层、次生壁内层。其中初生壁很薄与胞间层合为一体。在细胞交角的区域常出现空隙，即无胞间层组织。次生壁外层与次生壁内层间有明显的界线，两层厚度相差不多。薄壁细胞上微纤维排列，P层呈乱网状，S₁、S₂层呈规则的网状，S₂层的微纤维角度较S₁层更近于轴向。由于微纤维呈网状排列收缩是各向同性的，因此存在于纸浆中的薄壁细胞在干燥时表面平坦，不出现起皱现象。导管细胞初生壁上微纤维亦是网状，次生壁上由于有许多纹孔，纹孔口附近的微纤维呈环状排列，其他部位的微纤维较紊乱。表皮细胞较厚，呈多层状态，胞腔较小，其中常填有内容物。