4種楊木軸向成分特征及其KP-AQ法制漿性能研究

張利萍 孫夏杰 王書強 高 慧 傅賢敏 常玉飛

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學林學與園林學院，安徽合肥，230036；2.河南省金太陽林業(yè)科技有限公司，河南鄧州，474100)

人工林楊木具有速生、豐產(chǎn)、硬度適中、色澤淺、紙漿得率高等優(yōu)點，能生產(chǎn)出性能優(yōu)良的紙漿，已成為我國木漿的主要原料來源[1]。目前，我國楊木人工林面積已經(jīng)達到800萬hm2，楊樹種植面積和是蓄積量均居世界首位[2]。我國是紙張需求大國，用紙量逐年增加，目前楊木的生產(chǎn)量遠遠不能滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要。

木材在生長過程中發(fā)生了徑向增粗和軸向伸長的變化。眾多學者對木材生長過程的變化進行了很多研究。Yoichi Kojima[3]，Chauhan[4]，Matthew G. Hamiltona[5]，Kana Yamashita[6]等人分別對木材蠕變、聲學性能，制漿性能和干縮性能的軸向變異進行了深入研究。Katri Luostarinen分析了西伯利亞松纖維性質(zhì)的徑向和軸向的變化情況[7]。秦特夫等比較了杉木、I-72楊心材和邊材化學組成的徑向軸向變異[8]。這些研究對木材的利用起到了重要的指導意義。木材化學組成、纖維性質(zhì)的軸向變化還與木材其他性能相關(guān)，如應力變化[9]、激素分布[10]、微觀結(jié)構(gòu)[11]等。另外，木材軸向變化的規(guī)律與材種、樹齡、立地條件、環(huán)境因子等因素相關(guān)。當前，木材的節(jié)約化、精細化利用正在逐步推行，粗放的利用模式正在發(fā)生改變。楊木作為重要的木材和紙漿材來源樹種，通過對木材軸向變化規(guī)律的研究有助于從理論上對木材的生長進行預測、選擇，進而通過育種改良提升木材的性能。同時，可為制備高純度的木材纖維素、合理利用木素、分段利用木材、提升楊木制漿造紙性能等提供理論基礎。

本課題以歐美楊107、69楊、中林46楊、中林2001楊為對象，分別測定和比較了4種楊木在樹高分別為1.3 m、3.3 m、5.3 m和7.3 m處的化學組成、纖維形態(tài)以及制漿造紙性能之間的差異，揭示4種楊木株內(nèi)軸向變化規(guī)律，探討4種楊木制漿造紙性能的差異，為楊木的選育、改良、精細加工及合理利用提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 材料選取

歐美楊107、69楊、中林46楊、中林2001楊均采自河南省鄧州市新野縣林場，樹齡8年。在該林場內(nèi)，針對每個品系分別隨機取3棵生長健康、樹形端正、無病蟲害、樹齡相同的楊木，每株楊木分為4段，分別在樹高為1.3 m、3.3 m、5.3 m、7.3 m(距樹干基部距離，下同)處截取5 cm厚圓盤各1個，風干，劈解待用。取部分磨粉，預留40～60目的木粉，平衡水分后測定化學組成。剩余部分用于測定纖維形態(tài)及制漿性能。

1.2 測定方法

1.2.1化學組成測定方法

按照GB/T2677—1993測定木材灰分、熱水和1%NaOH抽提物，按照GB/T2677—1994測定苯-醇抽出物、聚戊糖含量，按照GB/T2677—1995測定綜纖維素含量，按照GB/T2677.8—1994測定酸不溶木素、酸溶木素含量[12]。每個品系楊木的化學組成取自3株樹木在同一樹高的平均值。

1.2.2纖維性質(zhì)測定

參照GB/T10336—1989，冰乙酸和雙氧水按1∶1的比例混合后將試樣離析，在顯微鏡下測定纖維長度。隨機取4～6片橫切面切片，置于帶有目鏡測微尺的高倍顯微鏡下(放大倍數(shù)為400倍)，用XS2-HS顯微圖像分析系統(tǒng)測定纖維寬度、胞腔徑并計算求得纖維壁厚[12]。

1.2.3制漿造紙性能

采用硫酸鹽蒽醌法(KP-AQ)對3棵樹不同部位分別進行制漿實驗。蒸煮條件：用堿量18%(以Na2O計)，硫化度24%，蒽醌用量0.1%，液比1∶4.5，裝鍋量100 g(絕干材)，145 ℃保溫60 min，最高溫度165 ℃，保溫90 min。

紙張成形和紙張性能測定：使用PFI磨對未漂漿進行打漿，控制打漿度為38～42°SR，制備定量為70 g/m2的手抄片，按照國家標準測定楊木制漿成紙性能(所有指標取值為3株樹木在同一樹高處的平均值)[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 4種楊木化學組分軸向變化

對4種楊木進行化學組分分析(見圖1～圖8)。由圖可知，4種楊木的灰分(見圖1)、熱水抽提物含量(見圖3)、1% NaOH抽提物含量(見圖4)在3.3 m和5.3 m樹高處較低，在1.3 m和7.3 m樹高處較高。呈現(xiàn)兩端高、中間低的現(xiàn)象。這可能是由于1.3 m樹高處離根部最近，吸收土壤中的物質(zhì)較多；而在7.3 m樹高處接近樹干的稍部，通過光合作用制造的營養(yǎng)物質(zhì)向基部運輸時存在逐步“滯留”現(xiàn)象所致。4種楊木苯-醇抽提物含量(見圖2)從1.3 m到7.3 m樹高處逐漸增加，表明它們在7.3 m樹高處存在較多的苯-醇可溶性物質(zhì)。

4種楊木Klason木素含量(見圖5)從1.3 m到7.3 m樹高處逐漸增加，其中，中林46楊的變化比較平緩。

圖1 4種楊木灰分的軸向變化

圖2 4種楊木苯-醇抽提物含量的軸向變化

圖3 4種楊木熱水抽提物含量的軸向變化

圖4 4種楊木1%NaOH抽提物含量的軸向變化

表1 4種楊木化學組成軸向平均值與變異系數(shù) %

圖5 4種楊木Klason木素含量的軸向變化

圖6 4種楊木酸溶木素含量的軸向變化

圖7 4種楊木綜纖維素含量的軸向變化

圖8 4種楊木聚戊糖含量的軸向變化

酸溶木素(見圖6)從1.3 m到7.3 m樹高處逐漸增加，7.3 m處最大。因此，總木素含量從1.3 m到7.3 m樹高處是增加的。可以預見，采用這4種楊木制漿時，在7.3 m樹高處消耗的藥劑較多，制漿難度也較大。

綜纖維素含量(見圖7)在1.3 m和5.3 m樹高處較高，7.3 m處最低，在1.3 m和5.3 m樹高處木材制漿得率可能會高于7.3 m樹高處。4種楊木聚戊糖含量(見圖8)從1.3 m到7.3 m樹高處逐漸降低。

由表1可知，4種楊木中，69楊的灰分最高，平均值為1.53%，其次是歐美楊107、中林46楊和中林2001楊。中林2001楊和中林46楊的熱水抽提物和1%NaOH抽提物含量明顯高于歐美楊107和69楊，而苯-醇抽提物含量相差不大。歐美楊107的Klason木素含量高于69楊、中林46楊和中林2001楊，但是酸溶木素含量最低?？偰舅睾繌母叩降头謩e是歐美楊107、69楊、中林46楊和中林2001楊。綜纖維素含量由高到低分別是中林46楊、69楊、中林2001楊和歐美楊107。通常，綜纖維素含量越高，木素含量越低，越有利于提高紙漿得率。4種楊木聚戊糖含量相差不大，但是，69楊略高，中林46楊最低。

2.2 4種楊木纖維形態(tài)軸向變化

對于木材的制漿造紙性能，不僅要考慮原料的化學組成還需了解原料的纖維性能。纖維性能是評價造紙原料優(yōu)劣及確定制漿造紙工藝條件的重要依據(jù)[13]。

圖9 4種楊木纖維長度軸向變化

圖10 4種楊木纖維寬度軸向變化

纖維長度是衡量纖維原料的重要指標之一[14]。纖維長度與成紙撕裂強度、抗張強度、耐破強度等物理性能指標息息相關(guān)。4種楊木纖維長度(見圖9)軸向的變化趨勢是一致的，從1.3 m到3.3 m樹高處呈下降趨勢，3.3 m到5.3 m樹高處呈上升趨勢，5.5 m到7.3 m樹高處呈下降趨勢?？梢?，纖維長度在1.3 m和5.3 m樹高處較大，在7.3 m樹高處最小。纖維寬度(見圖10)在1.3 m樹高處較大，在5.3 m樹高處較小。纖維寬度大表明纖維細胞壁較厚，化學藥劑不易滲透，會增大打漿難度。

表2 4種楊木纖維形態(tài)的軸向平均值與變異系數(shù)

纖維長寬比越大，打漿過程中纖維越容易發(fā)生“潰陷”，從而促進纖維之間交織，提升纖維之間的結(jié)合力[15]。4種楊木纖維長寬比(見圖11)軸向的變化趨勢是一致的，從1.3 m到5.3 m樹高處增加，從5.3 m到7.3 m樹高處下降，在5.3 m樹高處纖維長寬比較大。

圖11 4種楊木纖維長寬比軸向變化

圖12 4種楊木纖維壁腔比軸向變化

作為造紙原料，通常要求纖維壁腔比小于1.0。壁腔比越小，藥劑滲透越快，打漿越容易，纖維的結(jié)合力越強。4種楊木纖維壁腔比(見圖12)軸向變化趨勢是一致的，從1.3 m到3.3 m樹高處增加，從3.3 m到5.3 m樹高處減小，5.3 m到7.3 m樹高處增大，壁腔比在7.3 m樹高處最大，5.3 m樹高處最小。

由4種楊木軸向的纖維形態(tài)指標可以評價其纖維性能的差異。由表2可知，歐美楊107纖維長度最大(1.28 mm)，其次為中林46楊、中林2001楊和69楊。歐美楊107纖維的長寬比最大(56.19)，中林2001楊最小(46.76)。歐美楊107纖維的壁腔比最小(0.34)，中林2001楊纖維壁腔比最大(0.47)。歐美楊107纖維長度最長，纖維長寬比最大，纖維壁腔比最小，制漿性能最好。

2.3 4種楊木制漿性能軸向變化

硫酸鹽法是比較成熟的制漿方法，當前80%的紙漿都是采用這種方法制得的。該方法具有得率高、適應性好、成紙強度高等優(yōu)點[16]。蒽醌是發(fā)展比較成熟的制漿助劑，能在化學蒸煮過程中保護纖維素，促進木素脫除[17]。因此選用硫酸鹽+蒽醌(KP+AQ)法進行4種楊木制漿。

4種楊木采用KP-AQ法制漿，成漿卡伯值、得率、黏度及殘堿沿木材軸向的變化見圖13～圖16。由圖可知，紙漿卡伯值(見圖13)從1.3 m到3.3 m樹高處逐漸增加，到5.3 m樹高處降低，之后又增加。制漿得率(見圖14)和紙漿黏度(見圖15)在1.3 m和5.3 m樹高處較高，在3.3 m和7.3 m樹高處得率較低，黏度較小。在1.3 m和5.3 m樹高處卡伯值較低，得率和黏度較高，這與1.3 m和5.3 m樹高處綜纖維素含量高、纖維長度較長、纖維長寬比較大、纖維壁腔比較小有關(guān)。另外，還與1.3 m樹高處木素含量較低，5.3 m樹高處抽提物含量較小有關(guān)。

圖13 4種楊木成漿卡伯值軸向變化

圖14 4種楊木制漿得率軸向變化

圖15 4種楊木紙漿黏度軸向變化

圖16 4種楊木制漿殘堿軸向變化

殘堿是衡量制漿過程中用堿量是否合理、制漿條件是否得當?shù)闹匾笜?。如果殘堿大，與用堿量過多、蒸煮時間過短、木素含量低、抽提物含量少等因素有關(guān)。4種楊木在同一制漿工藝條件下，殘堿均在7.0 g/L以下(見圖16)，表明該制漿工藝用堿量、保溫時間等條件設置較合理。在5.3 m樹高處殘堿較高，表明這部分木材在制漿過程中堿的消耗量較少，這與其抽提物和木素含量較低有關(guān)。

可以采用4種楊木制漿性能的軸向均值來評價其制漿性能的差異(見表3)。由表3可知，歐美楊107的成漿卡伯值最低，為14.47，中林2001楊成漿卡伯值最高，為17.6。這表明在同等制漿條件下，歐美楊107木素脫除的速度較快，制漿相對容易。在得率方面，4種楊木制漿得率都在50%以上，其中中林46楊最高，為51.03%，這與中林46楊的綜纖維素含量較高有關(guān)。歐美楊107紙漿黏度最大，為1299 mL/g，其次是中林46楊、中林2001楊和69楊。歐美楊107制漿殘堿較高，中林2001楊和中林46楊制漿殘堿較低，表明在制漿過程中，中林2001楊和中林46楊耗堿量相對較多，可能與這兩種木材中熱水抽提物和1% NaOH抽提物含量較高有關(guān)。

表3 4種楊木制漿性能的平均值及變異系數(shù)

2.4 4種楊木制漿成紙性能軸向變化

圖17 4種楊木成紙抗張指數(shù)軸向變化

表44種楊木紙張性能的平均值及變異系數(shù)

樹種抗張指數(shù)/N·m·g-1撕裂指數(shù)/mN·m2·g-1耐破指數(shù)/kPa·m2·g-1綜合強度指數(shù)歐美楊107均值78.175.615.715.66變異系數(shù)9.930.650.600.3969楊均值71.165.245.175.20變異系數(shù)5.150.350.100.04中林46楊均值74.235.435.315.37變異系數(shù)7.380.310.390.12中林2001楊均值71.645.004.934.96變異系數(shù)4.420.280.170.05

紙張物理強度主要與纖維長度、纖維之間的結(jié)合力、纖維的柔韌性等因素有關(guān)。4種楊木紙張強度性能指標軸向的均值可以衡量其制漿造紙性能的優(yōu)劣。

圖18 4種楊木紙張撕裂指數(shù)軸向變化

圖19 4種楊木紙張耐破指數(shù)軸向變化

圖20 4種楊木紙張綜合強度指數(shù)軸向變化

由表4可知，4種楊木紙張抗張指數(shù)的均值由高到低分別是歐美楊107、中林46楊、中林2001楊和69楊。4種楊木紙張的耐破指數(shù)和撕裂指數(shù)的均值由高到低分別是歐美楊107、中林46楊、69楊和中林2001楊。通常，單一物理指標不能從根本上反映漿料的優(yōu)劣。綜合強度指數(shù)結(jié)合了抗張指數(shù)和耐破指數(shù)2個因子，可較好地衡量紙張強度性能。4種楊木紙張綜合強度指數(shù)由大到小依次為歐美楊107、中林46楊、69楊和中林2001楊?？梢?，歐美楊107紙張強度性能最優(yōu)，與其纖維長度長、纖維長寬比大、壁腔比小等因素有關(guān)。雖然中林2001楊纖維長度比69楊略大，但其紙漿黏度卻略小于69楊，另外，中林2001楊壁腔比較大，使其紙張強度略低于69楊。

3 結(jié) 論

3.14種楊木的灰分、熱水抽提物含量和1%NaOH抽提物含量在1.3 m和7.3 m樹高處較高，呈現(xiàn)兩端高、中間低的趨勢。4種楊木Klason木素和酸溶木素含量從1.3 m樹高處到7.3 m樹高處逐漸增加。歐美楊107的木素含量軸向平均值最高，其次為69楊、中林46楊和中林2001楊。4種楊木在1.3 m和5.5 m樹高處的綜纖維素含量較高。中林46楊綜纖維素含量的軸向平均值最大，其次為69楊、中林2001楊和歐美楊107。4種楊木從1.3 m到7.3 m樹高處聚戊糖含量逐漸減小。

3.24種楊木纖維長度在1.3 m和5.3 m樹高處較長；纖維寬度從1.3 m到5.5 m樹高處降低，隨后開始增大；纖維長寬比在5.3 m樹高處最大，7.3 m樹高處最??；纖維壁腔比在5.3 m樹高處最小，7.3 m樹高處最大。歐美楊107的纖維平均長度最大，纖維長寬比最大、壁腔比最小。69楊的纖維平均長度最小。中林2001楊纖維長寬比最小、壁腔比最大。

3.34種楊木紙漿的卡伯值在1.3 m和5.3 m樹高處較低，7.3 m樹高處最高；得率和黏度在1.3 m和5.3 m樹高處較大。在相同制漿條件下，歐美楊107成漿卡伯值最小(為14.7)，黏度最大(1299 mL/g)。中林2001楊成漿卡伯值最大(17.6)。中林46楊的粗漿得率最高(51.03%)。

3.44種楊木制漿后成紙的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)在1.3 m和5.3 m樹高處較大。歐美楊107成紙的綜合強度指數(shù)最高(5.66)，其次為中林46楊(5.37)，69楊為5.20，中林2001楊為4.96。

由紙張性能的軸向變化趨勢看，4種楊木在1.3 m和5.3 m樹高處紙張強度指標較大，其次為3.3 m和7.3 m樹高處。由4種楊木制漿后成紙強度性能指標的軸向均值可知，制漿造紙性能優(yōu)劣排序為歐美楊107、中林46楊、69楊和中林2001楊。

參 考 文 獻

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