速生材海州常山制漿性能分析

謝福春 孫 舒 張艷君 秦 棟 王華田

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱,150030；2.濟南市槐蔭區(qū)興福街道辦事處,山東濟南,250117；3.哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院,山東榮成,264300；4.山東農(nóng)業(yè)大學(xué),山東泰安,271018)

速生材海州常山制漿性能分析

謝福春1孫 舒2張艷君3秦 棟1王華田4,*

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱,150030；2.濟南市槐蔭區(qū)興福街道辦事處,山東濟南,250117；3.哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院,山東榮成,264300；4.山東農(nóng)業(yè)大學(xué),山東泰安,271018)

為探討海州常山作為制漿材的可行性,以來自河南欒川、江蘇連云港、山東泰安3個種源的海州常山為原料,分析了其化學(xué)成分、纖維形態(tài)與制漿性能。結(jié)果表明,海州常山的綜纖維素平均含量為78.32%,苯-醇抽出物含量低于1.5%,纖維長度700～900 μm,制漿得率約40%,成紙強度指標(耐破指數(shù)、耐折度等)與常用的闊葉木制漿材成紙相近,其中，山東泰安種源的海州常山制漿性能綜合評價較好。

海州常山；化學(xué)成分；纖維形態(tài)；制漿性能

與草漿相比,木漿具有紙品質(zhì)量好、污染程度小等優(yōu)點,已成為現(xiàn)階段最主要的造紙原料。在發(fā)達國家,木漿占造紙原料的90%以上[1]。據(jù)報道,至2020年我國紙和紙板需求量將達到1.5億t[2],而目前我國用于制漿的樹種主要是針葉木,其生長緩慢,輪伐期長,致使我國造紙用木材原料嚴重不足。培育生長迅速、生物產(chǎn)量大的闊葉木是緩解我國造紙工業(yè)木材原料不足的有效途徑之一[3- 4]。海州常山(ClerodendrumtrichotomumThumb.)是馬鞭草科(Verbenacea)大青屬(Clerodendrum)落葉小喬木或灌木,廣泛分布在我國華北、華東、中南等地區(qū),日本、朝鮮、菲律賓等國也有種植。海州常山適應(yīng)性強、耐干旱瘠薄、萌蘗能力強,可在荒山、輕度鹽堿地、沙地等條件下生長,同時其生長迅速、木質(zhì)生物產(chǎn)量高,年生物量可達1.5 t/hm2[5]。目前,對海州常山的研究僅限于其抗逆性、資源調(diào)查、繁殖技術(shù)等方面,對海州常山制漿性能的研究未見相關(guān)報道。筆者通過對比分析3個種源海州常山的化學(xué)成分、纖維形態(tài)和制漿性能,探討了其作為制漿材的可行性,旨在為海州常山在制漿造紙領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原料

實驗用木材為采自山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)實驗站的2年生萌蘗苗,該萌蘗苗是經(jīng)越冬平茬后再次萌蘗而出的海州常山(母株6年生),種源分別來自山東泰安、河南欒川和江蘇連云港。于休眠期時采集直徑2 cm 枝干若干,并進行切斷、剝皮、風干、切片或粉碎處理,備樣[6]。

1.2 實驗方法

1.2.1 化學(xué)成分分析

將木材樣品削成木屑,充分混合后,采用四分法取樣,將樣品在植物原料粉碎機中打碎,收集通過40目篩而不能通過60目篩的細末,并保存于廣口瓶中。分別按照GB/T2677.2—2011、GB/T2677.3—1993、GB/T2677.6—1994、GB/T2677.10—1995、GB/T2677.9—1994、GB/T2677.8—1994 GB/T10337—2008測定水分、灰分、苯-醇抽出物、綜纖維素、聚戊糖、酸不溶木素及酸溶木素的含量。

1.2.2 纖維形態(tài)分析

將采集的木材切削成30 mm×1.5 mm×1.5 mm的火柴桿狀,充分混合后,采用四分法取樣,利用硝酸-氯酸鉀混合液解離纖維原料[7]。利用加拿大OpTest Equipment Inc生產(chǎn)的纖維質(zhì)量分析儀(Hire FQA)測定試樣纖維的長度、寬度,每個樣品測200根,取平均值。

1.2.3 硫酸鹽法制漿

將木材樣品風干后劈切成25 mm×20 mm×(3～5)mm小木片并混合,采用四分法取樣。在液比1∶4、用堿量25%(以Na2O計)、硫化度25%、蒸煮最高溫度170℃,升溫時間1.5 h、保溫時間2 h的條件下,采用ZQS1型15 L電熱回轉(zhuǎn)蒸煮鍋蒸煮,制備硫酸鹽漿。將蒸煮所得漿料轉(zhuǎn)入120目塑料網(wǎng)洗漿器中,用水沖洗干凈,然后轉(zhuǎn)入布袋中,脫水至一定干度,平衡水分后測定水分，并計算粗漿得率和細漿得率等。

表1 3個種源海州常山化學(xué)成分分析

表2 3個種源海州常山纖維形態(tài)分析

1.2.4 打漿和抄紙

取適量未漂木漿,在PFI磨中打漿,打漿轉(zhuǎn)數(shù)為8000轉(zhuǎn)。打漿漿料一部分用于測定打漿度,另一部分用于抄造手抄片。根據(jù)ISO5269/2—2004標準,采用凱塞法自動抄片機進行抄片,定量為60 g/m2,定量波動為±3.0%。參照GB/T12033—2008方法測定手抄片的強度性能。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003繪制數(shù)據(jù)圖,采用SPSS13.0軟件對測定的各項指標進行方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分分析

3個種源海州常山的化學(xué)成分如表1所示。由表1可知,不同種源海州常山各化學(xué)成分的含量不同,其中聚戊糖、酸溶木素、灰分、苯-醇抽出物含量差異顯著,水分和酸不溶木素含量差異不顯著。

從表1可看出,江蘇連云港種源海州常山的灰分和苯-醇抽出物含量最高,分別達到0.82%和1.5%,顯著高于山東泰安和河南欒川種源海州常山(p<0.05)。3個種源海州常山的苯-醇抽出物含量較低,均在1.50%以下,這有利于減少蒸煮化學(xué)藥品的消耗量,降低對環(huán)境的影響。山東泰安種源海州常山的酸溶木素含量最高,達到2.82%,顯著高于其他2個種源海州常山(p<0.05)。3個種源海州常山的綜纖維素平均含量和酸不溶木素平均含量分別為78.32%和20.04%,與常見闊葉木制漿材相近。河南欒川種源海州常山的聚戊糖含量最高,達到26.70%,分別是山東泰安和江蘇連云港種源海州常山的2.1倍與2.5倍,顯著高于這2個種源(p<0.01),同時也高于楊樹、構(gòu)樹、馬褂木等常用闊葉木制漿材,而山東泰安和江蘇連云港種源海州常山的聚戊糖含量與2種進口闊葉木制漿材南洋楹和石梓相近[8]。依據(jù)上述化學(xué)成分分析可知,海州常山的化學(xué)成分特征符合制漿材的基本要求。

2.2 纖維形態(tài)對比分析

纖維的平均長度、平均寬度、長寬比等形態(tài)指標是評價木材制漿性能的重要參考指標。纖維長度與紙張抗張強度、耐破度和撕裂度等指標成正相關(guān)[9]。3個種源海州常山的纖維形態(tài)分析結(jié)果如表2所示。不同種源海州常山的纖維長度和長寬比的差異達到極顯著水平(p<0.01),纖維寬度差異不顯著,平均寬度為24.55 μm。由此可知,3種源海州常山纖維的長寬比主要受纖維長度的影響。山東泰安種源海州常山的纖維長度最長,達到810 μm,其次是江蘇連云港種源的海州常山,纖維長度為766 μm,河南欒川種源海州常山的纖維長度最短,與前兩者差異顯著,纖維長度只有552 μm；山東泰安種源海州常山的纖維長寬比最大,達到37.33,極顯著高于河南欒川種源的海州常山(纖維長寬比為20.28),江蘇連云港種源海州常山的纖維長寬比為30.93,與山東泰安種源海州常山?jīng)]有顯著差異,但顯著高于河南欒川種源海州常山。

表3 3種源海州常山制漿性能與打漿性能分析

在進行纖維形態(tài)分析時,只考察纖維平均長度或長寬比是不夠全面的,還必須考慮到纖維長度分布[10]。不同種源海州常山的纖維長度分布有差異(見圖1),河南欒川種源海州常山的纖維長度正態(tài)分布性弱,較多集中在400～600 μm之間,長度超過900 μm的纖維幾乎沒有(占比低于2%)，纖維平均長度為552 μm(200根纖維長度的平均值，下同)；而江蘇連云港和山東泰安種源海州常山的纖維長度分布更接近于標準正態(tài)分布,其中,江蘇連云港種源海州常山的纖維長度多集中在500～1000 μm之間(占比達83.5%),纖維平均長度為766 μm，山東泰安種源海州常山的纖維長度多集中在700～1000 μm之間(占比達64.5%)，其纖維平均長度為810 μm。由上述分析可知。海州常山的纖維平均長度為552～810 μm,其纖維長度與構(gòu)樹[11]、窄冠黑楊[12]纖維相近。依據(jù)國際木材解剖協(xié)會對造紙纖維分級的標準可知,這3個種源海州常山均屬于短纖維的樹種(國際纖維長度分級標準,短級為700～900 μm)。

2.3 制漿性能與打漿性能分析

3種源海州常山的制漿性能和打漿性能分析結(jié)果如表3所示。由表3可知,3種源海州常山的粗漿得率和細漿得率并無顯著差異。3種源海州常山粗漿得率分別為40.3%(河南欒川)、38.2%(江蘇連云港)、40.5%(山東泰安),平均粗漿得率為39.7%；細漿得率分別為38.8%(河南欒川)、36.6%(江蘇連云港)、39.4%(山東泰安),平均細漿得率為38.3%,與日本落葉松、光葉楮的粗漿得率和細漿得率相近,均為40%左右[13-14]。

由表3可知,3種源海州常山的初始打漿度差異顯著,由河南欒川和江蘇連云港種源海州常山制得的漿料的初始打漿度相近,分別為26°SR和25°SR,顯著高于由山東泰安種源海州常山制得的漿料；而由不同種源海州常山制得的漿料打漿后打漿度差異達到極顯著水平(p<0.01),由河南欒川種源海州常山制得的漿料打漿后打漿度最高,為54°SR,極顯著高于由江蘇連云港和山東泰安種源海州常山制得的漿料打漿后的打漿度,分別高出12°SR和8°SR。由此可知,由河南欒川種源海州常山制得的漿料較由其他2個種源海州常山制得的漿料更容易打漿。

2.4 手抄片強度性能分析

紙張的強度性能由纖維間的結(jié)合力、纖維自身的強度、纖維在紙張中的分布等因素共同作用[15]。由3種源海州常山制得的手抄片強度性能如表4所示,由表4可知,3種源海州常山手抄片的耐破指數(shù)、耐折度、撕裂指數(shù)以及裂斷長無顯著差異,表明由海州常山制得的紙張的強度性能不受原料地域的影響。由不同種源海州常山制得的手抄片的耐破指數(shù)為5.14～5.71 kPa·m2/g,平均耐破指數(shù)為5.50 kPa·m2/g,該數(shù)值高于由桉木、三倍體毛白楊等樹種制得的手抄片[16]；撕裂指數(shù)為4.38～5.01 mN·m2/g,平均撕裂指數(shù)為4.64 mN·m2/g,耐折度為87～94次,平均耐折度為91次,撕裂指數(shù)和耐折度低于由常用闊葉木制漿材制得的手抄片,這可能與海州常山屬于短纖維樹種有關(guān)。

圖1 3個種源海州常山纖維長度分布

表4 3種源海州常山手抄片強度性能比較

2.5 制漿性能綜合評價

制漿性能受多種因素共同影響。將模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)評判法[17-19]應(yīng)用到木材制漿性能綜合評價中能克服單個指標的片面性,評定結(jié)果可較全面地反映木材的制漿性能。模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)是采用Fuzzy數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法的方法對木材各個制漿性能指標的隸屬函數(shù)值進行累加,累加數(shù)值越高,制漿性能越好。隸屬函數(shù)值的計算方法如下。

(1)

(2)

其中,x為某一指標的測定值,xmax為某一指標的最大值,xmin為某一指標的最小值。若所測指標與木材的制漿性能呈正相關(guān),則采用式(1)計算隸屬值,反之采用式(2)。

筆者結(jié)合海州常山化學(xué)成分、纖維形態(tài)、手抄片強度性能等指標,最終選取苯-醇抽出物含量、綜纖維素含量、纖維平均長度、長寬比、撕裂指數(shù)等9個指標,采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對海州常山的制漿性能進行綜合評價,結(jié)果見表5。由表5可知,河南欒川種源海州常山的苯-醇抽出物含量、綜纖維素含量、聚戊糖含量以及粗漿得率等指標較好；江蘇連云港種源海州常山的酸不溶木素含量、成紙撕裂指數(shù)和耐折度指標較好,纖維平均長度僅次于山東泰安種源的海州常山；山東泰安種源海州常山的纖維平均長度和長寬比指標較好,酸不溶木素含量、成紙撕裂指數(shù)和耐折度指標僅次于江蘇連云港種源海州常山,綜纖維素含量和粗漿得率等僅次于河南欒川種源的海州常山。山東泰安種源海州常山的綜合值最大,為5.92；其次是江蘇連云港種源海州常山,為4.45；河南欒川種源的海州常山綜合值最小,為4.0。這表明,山東泰安種源的海州常山綜合制漿性能最好。

表5 各指標隸屬函數(shù)值及綜合評價結(jié)果

3 結(jié) 論

3.1 研究了3個種源海州常山的化學(xué)成分、纖維形態(tài)和制漿性能。3個種源中,江蘇連云港種源海州常山的灰分最高,山東泰安種源海州常山的酸溶木素含量最高,河南欒川種源聚戊糖含量最高；3個種源海州常山的苯-醇抽出物含量均較低,在1.50%以下,這些特征符合制漿材的基本要求。山東泰安種源海州常山的纖維長度最長,纖維長度多集中在700～1000 μm,占比達64.5%。

3.2 3種源海州常山的粗漿得率和細漿得率并無顯著差異,平均粗漿得率為39.7%,平均細漿得率為38.3%。由河南欒川種源海州常山制得的漿料打漿后打漿度最高,高于由其他2個種源海州常山制得的漿料。由3種源海州常山制得的手抄片的耐破指數(shù)、耐折度、撕裂指數(shù)以及裂斷長無顯著差異,故由海州常山制得的紙張的強度性能不受地域的影響。

3.3 采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法評價分析了3種源海州常山的制漿性能。分析結(jié)果表明，山東泰安種源海州常山的綜合值最大,表明山東泰安種源海州常山綜合制漿性能最好。

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(責任編輯：陳麗卿)

Pulping Property of Fast-growing WoodClerodendrumTrichotomumThumb.

XIE Fu-chun1SUN Shu2ZHANG Yan-jun3Qin Dong1WANG Hua-tian4，*

(1.CollegeofHorticulture,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin,HeilongjiangProvince, 150030;2.XingfuStreetOfficeofJi’nanHuayinDistrict,Ji’nan,ShandongProvince, 250117;3.RongchengHarbinUniversityofScienceandTechnology,Rongcheng,ShandongProvince, 264300;4.ForestryCollegeofShandongAgricalturalUniversity,Tai’an,ShandongProvince, 271018)

(*E-mail: wanght@sdau.edu.cn)

In order to investigate the feasibility ofClerodendrumtrichotomumThumb.(C.trichotomum) as a pulp-making material, three differentC.trichotomumwoods which came from the regions of Luanchuan (He’nan province), Lianyungang (Jiangsu province) and Tai’an (Shandong province) respectively were selected as raw materials, the chemical composition, fiber morphology and pulping property were analyzed. The results showed that the average content of holocellulose in three provenances ofC.trichotomumwoods was 78.32%, the extract content from benzene alcohol was below 1.5%, the fiber length was in the range from 700 μm to 900 μm, the pulping yield reached to 40%, and the burst index and folding strength of handsheet ofC.trichotomumwere almost as same as the common used hardwoods. The study indicated thatC.trichotomumfrom Tai’an had a better pulping property. In short, the fiber length ofC.trichotomumis short, it can be used with long-fiber coniferous wood in papermaking.

ClerodendrumtrichotomumThumb.； chemical composition； fiber morphology； pulping property

2016- 06- 04

國家十二五公益性行業(yè)重大科研專項子課題(201104002- 6)

謝福春,女,1981年生；在讀博士研究生；主要研究方向：森林生理生態(tài)研究。

*通信聯(lián)系人：王華田,E-mail:wanght@sdau.edu.cn。

TS721

A

1000- 6842(2017)01- 0007- 05