第五节 纤维素含量的测定

纤维素是植物纤维原料的主要组分之一，也是纸浆的主要化学组分。无论制浆造纸过程还是人造纤维生产，纤维素都是要尽量保持使之不受破坏的成分。测定造纸原料纤维素含量具有实际意义，可用于比较不同原料的造纸使用价值。

植物纤维原料中纤维素的含量依据原料种类和部位等的不同而有差别。例如：棉花纤维素含量最高，为95%～99%；苎麻为80%～90%；木材和竹子为40%～50%；树皮为20%～30%。禾草类纤维素含量差别较大，一般在38%～55%之间（稻草37%～39%，蔗渣46%～55%，芦苇55%左右）。红麻的木质部与韧皮部分别为46%和57%，棉秆的木质部与韧皮部则分别为41%和36%。

纤维素是不溶于水的均一聚糖，它是由大量葡萄糖基构成的链状高分子化合物。纤维素具有诸多性质，例如，纤维素不溶于水、乙醇、乙醚、苯等普通溶剂，但能溶于氧化铜的氨溶液、氯化锌的浓溶液、硫氰酸钙和某些其他盐类的饱和溶液；纤维素在水、碱液、酸液等润胀剂中能发生润胀；在压力下与水共热会逐渐起水解作用；能与较浓的无机酸起水解作用而生成葡萄糖；与较强的苛性碱溶液起作用而成碱纤维素；与强氧化剂作用而成氧化纤维素。纤维素含量的测定方法就是根据纤维素的上述特性，以及与之伴生的木素、半纤维素和其他次要成分的性质来制定的。

纤维素的定量测定方法有间接法和直接法两类。

所谓间接方法，主要是采用测定植物纤维原料中各种非纤维素成分的量，再由100减去全部非纤维素组分含量之和的方法；或是采用以强酸将纤维素水解，使其生成还原糖，根据测得还原糖的含量，再换算成纤维素的含量。然而，由于这些方法存在诸多缺陷，而很少采用。

直接法测定纤维素含量的方法应用较为广泛，其原理是基于利用化学试剂处理试样，使试样中的纤维素与其他非纤维素物质（如木素、半纤维素、有机溶剂抽出物等）分离，最后测定纤维素的量。根据使用的化学试剂不同，可分为氯化法，硝酸法、乙醇胺法、二氧化氯法、次氯酸盐和过乙酸法等。最常用的方法是氯化法（克-贝纤维素）和硝酸法（硝酸-乙醇纤维素）。

氯化法的优点是处理条件比较温和，故纤维素被破坏的程度比硝酸法轻，但操作手续较繁、测定装置也较复杂，且不适用于非木材原料中纤维素的测定，这是由于非木材原料的半纤维素含量高，通氯后易发生糊化，使纤维素氯化不均匀，这不仅给操作带来困难（如过滤慢），而且影响测定结果。用氯化法制得的纤维素样品几乎不含有木素，但含有大量的半纤维素，其中主要是木糖和甘露糖，为了得到更接近于纤维素真实含量的精确结果，需对非纤维素物质，如木素残渣、聚戊糖、聚甘露糖和灰分等的含量进行测定，以便进行相应的校正。一般只对聚戊糖含量进行校正，所得结果以无聚戊糖克-贝纤维素含量表示。无疑这更增加了操作的烦琐性。

硝酸法的优点是不需要特殊装置，操作较简便、迅速。且试样不需预先用有机溶剂抽提，因为抽出物在试验过程中亦可被乙醇溶出。用硝酸-乙醇法制得的纤维素仅含少量的木素和半纤维素，纯度比氯化法的高。所以此法更被广泛采用。

值得指出的是，采用直接法测定的纤维素含量一般都高于原料中纤维素的实际含量，这是因为采用直接法分离出的纤维素都是不太纯净的，而是含有数量不等的非纤维素的杂质。

据资料，对两种方法制得纤维素中成分分析结果表明，两种方法的纤维素中基本不含木素，但会有较多的聚戊糖。氯化法可除去原始聚戊糖含量的1/3，而硝酸法则可除去2/3。对针叶木而言，氯化法纤维素中含有聚戊糖9%～12%，而硝酸-乙醇法纤维素中聚戊糖的含量为5%～6%。对阔叶木而言，氯化纤维素中聚戊糖含量为23%～24%，而硝酸-乙醇法纤维素中为9%～10%。据另一资料介绍，云杉原料的氯化纤维素中含有8.9%的聚戊糖和0.11%的木素；云杉硝酸-乙醇纤维素中含有7.07%的聚戊糖和0.39%的木素。蔗渣氯化纤维素中含有聚戊糖25.7%和木素1.89%；而蔗渣硝酸-乙醇纤维素中，则含有聚戊糖和木素各占19.9%和4.59%。

上述数据说明，直接法测得纤维素含量结果并不能真实地反映原料中纤维素的含量。因此，目前较少单独测定纤维素的含量，而是采用测定综纤维素和聚戊糖含量的方法来观察造纸原料中纤维素和半纤维素含量的情况，并以此来表征原料的使用价值。纤维素含量的测定方法目前尚无国家标准方法，下面仅介绍硝酸-乙醇纤维素的测定方法。

（一）测定原理

此法基于使用浓硝酸和乙醇溶液处理试样，试样中的木素被硝化并有部分被氧化，生成的硝化木素和氧化木素溶于乙醇溶液。与此同时，亦有大量的半纤维素被水解、氧化而溶出，所得残渣即为硝酸-乙醇纤维素。乙醇介质可以减少硝酸对纤维素的水解和氧化作用。

（二）仪器

a.回流冷凝装置；b.真空吸滤装置；c.实验室常用仪器。

（三）试剂

硝酸-乙醇混合液：量取800mL乙醇（95%）于干的1000mL烧杯中。徐徐分次加入200mL硝酸（密度1.42g/cm³），每次加入少量（约10mL）并用玻璃棒搅匀后始可续加。待全部硝酸加入乙醇后，再用玻璃棒充分和匀，贮于棕色试剂瓶中备用（硝酸必须慢慢加入，否则可能发生爆炸）。

硝酸-乙醇混合液只宜用前临时配制，不能存放过久。

（四）测定步骤

精确称取1g（称准至0.0001g）试样于250mL洁净干燥的锥形瓶中（同时另称取试样测定水分），加入25mL硝酸-乙醇混合液，装上回流冷凝器，放在沸水浴上加热1h。在加热过程中，应随时摇荡瓶内容物，以防止试样跳动。

移去冷凝管，将锥形瓶自水浴上取下，静置片刻。待残渣沉积瓶底后，用倾斜法滤经已恒重的1G2玻璃滤器，尽量不使试样流出。用真空泵将滤器中的滤液吸干，再用玻璃棒将流入滤器的残渣移入锥形瓶中。量取25mL硝酸-乙醇混合液，分数次将滤器及锥形瓶口附着的残渣移入瓶中。装上回流冷凝器，再在沸水浴中加热1h。如此重复施行数次，直至纤维变白为止。一般阔叶木及稻草处理三次即可，松木及芦苇则需处理5次以上。

最后将锥形瓶内容物全部移入滤器，用10mL硝酸-乙醇混合液洗涤残渣，再用热水洗涤至洗涤液用甲基橙试之不呈酸性反应为止。最后用乙醇洗涤两次。吸干洗液。将滤器移入烘箱，于（105±2）℃烘干至恒重。

如为草类原料，则须测定其中所含灰分。为此，可将烘干恒重后有残渣的玻璃滤器置于一较大的磁坩埚中，一并移入高温炉内，徐徐升温至（575±25）℃至残渣全部灰化并达恒重为止。而且，空的玻璃滤器应先放入一较大的瓷坩埚中，置入高温炉内于（575±25）℃灼烧恒重，再置于（105±2）℃烘箱中烘至恒重。记录这两个恒重数字。

（五）结果计算

① 木材原料纤维素含量w_木纤维（%）按式（2-14）计算：

式中 m₁——烘干后纤维素与玻璃滤器的质量，g

m₂——空玻璃滤器质量，g

m₀——风干试样质量，g

w_水——试样水分，%

② 草类原料纤维素含量w_草纤维（%）按式（2-15）计算：

式中 m₁、m₂、m₀、w_水同上

m₃——灼烧后玻璃滤器与灰分的质量，g

m₄——空玻璃滤器灼烧后的质量，g

（六）注意事项

① 配制硝酸-乙醇混合液时，应在通风橱内进行，必须分数次慢慢将硝酸加入乙醇中，否则容易发生爆炸。

② 用倾泻法过滤沉淀时，应尽量不使残渣流入滤器中，以免因硝酸-乙醇混合液量少，而不能将滤器及锥形瓶内附着的残渣移入瓶内，从而影响测定结果，同时可提高过滤速度。