銀腺楊解剖及理化性能研究*

張新宇 董 陽(yáng) 王夢(mèng)蕾 孫照斌**

（1.北京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，北京 100176；2.河北省林業(yè)和草原技術(shù)推廣總站，河北 石家莊 050081；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000）

據(jù)第九次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)可知，我國(guó)森林資源總體上呈現(xiàn)數(shù)量持續(xù)增加，木材供給以人工林為主[1-2]。目前我國(guó)人工林面積0.795萬(wàn)hm2，居世界首位。銀腺楊（Populus alba×P.glandulos）為韓國(guó)引進(jìn)的優(yōu)良白楊派樹種，干型好，生長(zhǎng)速度快，常用于丘陵造林[3]。近幾年大量的研究致力于對(duì)銀腺楊的遺傳培育和基因功能研究[4-5]，李愛平等[6]探討了轉(zhuǎn)SacB基因銀腺楊對(duì)林地生物多樣性的影響，鐘珊辰等[7]對(duì)基因PagAG2的時(shí)空特異性展開研究，進(jìn)而干預(yù)楊樹生殖發(fā)育，魯俊倩[8]利用CRISPR/Cas9技術(shù)對(duì)楊樹基因功能的研究提供技術(shù)手段。而銀腺楊的解剖特性對(duì)紙張性能和制漿造紙的研究少有報(bào)道，僅有的是對(duì)其他屬種的楊木進(jìn)行分析[9-10]。同時(shí)木材的化學(xué)成分不僅是木材物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)理論研究的重要參數(shù)，也可為制漿造紙研究提供理論數(shù)據(jù)。掌握木材基礎(chǔ)材性和解剖性質(zhì)，了解纖維形態(tài)參數(shù)，既可為木材性質(zhì)研究及其加工利用提供理論數(shù)據(jù)，又可為木材的識(shí)別提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試樣采集

銀腺楊采集于河北省保定市易縣七里亭林場(chǎng)，易縣洪崖山林管局轄區(qū)內(nèi)。樹高30 m，胸徑約45 cm，在樹高1.5 m高度上截取7 cm厚的圓盤和1 m長(zhǎng)的短圓材。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 解剖特性

將圓盤通過(guò)髓心沿南北方向鋸成2 cm寬的長(zhǎng)條，將長(zhǎng)條自上而下鋸成兩部分。第Ⅰ部分用來(lái)測(cè)定纖維壁腔比和組織比量；第Ⅱ部分用來(lái)測(cè)定纖維的長(zhǎng)度和寬度、導(dǎo)管的長(zhǎng)度[11]（圖1）。

圖1 試樣鋸截方法

將圓盤上制取的第Ⅰ部分長(zhǎng)條制成尺寸為20 mm×20 mm×20 mm的小木塊。將試樣放入80℃水浴中軟化，用滑走切片機(jī)(Lecia SM2010R)制取厚度為16 μm的切片，用1%番紅溶液染色2～4 h，選取一片最好的切片（有一完整年輪、厚度適中的切片），采用網(wǎng)格法和圖像二值化法分別測(cè)定組織比量和壁腔比，測(cè)量30次后取平均值[12-13]。

將圓盤上制取的第Ⅱ部分長(zhǎng)條由髓心沿半徑方向劈出一部分火柴桿大小試件，用30%硝酸和一些氯酸鉀混合液離析。試管放到酒精燈上加熱，一邊加熱一邊振蕩試管，直到試管中出現(xiàn)細(xì)小的如發(fā)絲狀的物質(zhì)，將離析液倒出后反復(fù)用蒸餾水清洗幾次備用。測(cè)定時(shí)用膠頭滴管吸取少量溶液擠在載玻片上，然后蓋上蓋玻片，放在10倍物鏡、10倍目鏡的光電投影儀下測(cè)定，每個(gè)試管中隨機(jī)選擇測(cè)定30根纖維和30根導(dǎo)管。

1.2.2 物理力學(xué)特性

銀腺楊物理、力學(xué)性能參照GB/T1932-2009《木材干縮性測(cè)定》、GB/T 1933-2009《密度測(cè)定》、GB/T 1935-2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T1936.1-2009《木材抗彎強(qiáng)度測(cè)定》、GB/T1936.2-2009《木材抗彎彈性模量測(cè)定》、GB/T1941-2009《木材硬度試驗(yàn)方法》。

1.2.3 化學(xué)成分測(cè)定

銀腺楊化學(xué)組分測(cè)定參照GB2677.4-1993《造紙?jiān)纤槌鑫锖康臏y(cè)定》、GB2677.5-1993《造紙?jiān)?%氫氧化鈉抽出物含量的測(cè)定》、GB2677.6-1993《造紙?jiān)嫌袡C(jī)溶劑抽出物含量的測(cè)定》、GB2677.8-1994《造紙?jiān)纤岵蝗苣舅睾康臏y(cè)定》，纖維素含量測(cè)定采用硝酸-乙醇法[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 解剖特性

纖維長(zhǎng)度長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比大，既有利于提高紙張撕裂度，還有利于紙張抗拉強(qiáng)度、耐破度和耐折度的提高[14-16]。由銀腺楊解剖特性及組織比量測(cè)定結(jié)果（表1）可知，銀腺楊纖維長(zhǎng)度的平均值為1 213.55 μm，變化范圍1 027.04～1 382.24 μm。根據(jù)木材解剖分子分級(jí)規(guī)定[17]，銀腺楊纖維長(zhǎng)度為中級(jí)。纖維寬度平均值為21.38 μm，變化范圍20.98～22.03 μm，相較于纖維長(zhǎng)度，纖維寬度變化趨于平穩(wěn)。纖維長(zhǎng)寬比是纖維的重要指標(biāo)之一，并與木材的物理性質(zhì)存在相關(guān)關(guān)系。銀腺楊的纖維長(zhǎng)寬比平均值為56.68，變化范圍為48.62～62.73。研究表明，纖維長(zhǎng)寬比大于33就可以很好的進(jìn)行交織，并且纖維的長(zhǎng)寬比越大，紙張的強(qiáng)固性能越好[18]。銀腺楊纖維壁腔比平均值為0.70，變化范圍為0.64～0.75。壁腔比大，纖維越柔韌，可減少纖維打漿時(shí)的帚化和崩解，從而增加纖維的沉積數(shù)量，增加紙張的強(qiáng)度，也可在一定程度上提高纖維的機(jī)械支撐和尺寸穩(wěn)定性[14]。銀腺楊導(dǎo)管長(zhǎng)度變化范圍為417.81～540.96 μm，根據(jù)木材解剖分子分級(jí)規(guī)定[17]，導(dǎo)管長(zhǎng)度為中級(jí)。組織比量通常包括木纖維比量、木射線比量、導(dǎo)管比量以及軸向薄壁組織比量，楊樹木材的軸向薄壁組織含量極少，測(cè)定時(shí)幾乎可忽略不計(jì)。銀腺楊纖維比量最小值為52.04%(＞50%)，說(shuō)明銀腺楊適合作為人造板原料[19]。木材組織比量主要研究木材顯微構(gòu)造分子數(shù)量的特征，可同木材材性建立聯(lián)系。導(dǎo)管比量和木射線比量變化范圍分別為28.40%～36.04%、11.91%～14.96%。銀腺楊木射線比量低，說(shuō)明年輪寬度大，年生長(zhǎng)率高，栽培時(shí)間短。

表1 銀腺楊解剖特性及組織比量測(cè)定結(jié)果

對(duì)比其他木材纖維形態(tài)可以看出（表2）[20]，在纖維長(zhǎng)度方面：小葉楊＞銀腺楊＞毛白楊＞大關(guān)楊＞加楊；在纖維寬度方面：小葉楊＞大關(guān)楊＞銀腺楊＞毛白楊＞加楊；在長(zhǎng)寬比方面：加楊＞銀腺楊＞毛白楊＞大關(guān)楊＞小葉楊；在壁腔比方面：銀腺楊＞小葉楊＞冀北山楊=大關(guān)楊＞加楊。與其他木材相比，銀腺楊在纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)寬比及壁腔比方面上均具有優(yōu)勢(shì)，因此可作為優(yōu)秀的造紙?jiān)?，進(jìn)行定向選育和生產(chǎn)利用。

表2 銀腺楊與其他木材纖維形態(tài)的比較

2.2 物理力學(xué)特性

由表3可知，銀腺楊的氣干密度、全干密度、基本密度分別為0.46、0.42、0.38 g/cm3，根據(jù)木材材性分級(jí)規(guī)定[25]，銀腺楊密度等級(jí)為輕，研究表明木材用于生產(chǎn)纖維板和紙漿的密度為0.4～0.6 g/cm3較好，因此銀腺楊可用于制漿造紙及纖維板的制備。銀腺楊徑向和弦向的全干干縮率分別為3.65%、7.81%，弦向干縮系數(shù)為0.26%，徑向干縮系數(shù)為0.12%，弦向全干干縮率為徑向的2.14倍。根據(jù)木材材性分級(jí)規(guī)定，銀腺楊干縮分級(jí)為4級(jí)，在一定程度上說(shuō)明了銀腺楊的開裂和扭曲變形較嚴(yán)重，尺寸穩(wěn)定性差，需在原木采伐后應(yīng)進(jìn)行適時(shí)合理的木材干燥，防止開裂。

表3 銀腺楊物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定結(jié)果

銀腺楊抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量分別為81.20 MPa、9.59 GPa，根據(jù)木材材性分級(jí)規(guī)定[25]，銀腺楊抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量等級(jí)均為2級(jí)。木材順紋抗壓強(qiáng)度是指沿木材紋理方向承受的最大載荷，其測(cè)定過(guò)程簡(jiǎn)單，并與其他力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)存在著相關(guān)關(guān)系，銀腺楊順紋抗壓強(qiáng)度為41.37 MPa，等級(jí)為2級(jí)。木材的綜合強(qiáng)度為順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度之和，是木材作為承重用材必須考慮的指標(biāo)，銀腺楊綜合強(qiáng)度為122.57 MPa（等級(jí)為中級(jí)）。由表4可知，氣干密度與力學(xué)性能呈正相關(guān)關(guān)系，皮爾森相關(guān)系數(shù)均在0.807以上。木材密度是木材物質(zhì)數(shù)量的體現(xiàn)，因此硬度與密度相關(guān)性極高，兩者的皮爾森相關(guān)系數(shù)均大于0.910。銀腺楊端面硬度為5 337 N，高于弦向及徑向硬度，結(jié)果與前人研究相符[26]。當(dāng)銀腺楊作為結(jié)構(gòu)用材時(shí)，可根據(jù)不同部位硬度大小進(jìn)行合理使用。

表4 銀腺楊氣干密度與力學(xué)性質(zhì)的皮爾森相關(guān)系數(shù)

2.3 化學(xué)性能

由表5可知，銀腺楊纖維素含量為50.15%，木質(zhì)素含量為21.17%。牛敏[27]認(rèn)為木質(zhì)素在加工利用過(guò)程中（如蒸煮、漂白）需要使用化學(xué)藥品，影響制漿得率，因此木素含量的測(cè)定是造紙工業(yè)重要的分析指標(biāo)之一。銀腺楊的冷水抽提物含量為2.48%，熱水抽提物含量為3.99%，1%NaOH抽提物含量為16.97%，苯醇抽提物含量為1.96%。抽提物中含有色素、單寧以及果膠質(zhì)、淀粉、多乳糖等多糖，這些物質(zhì)的存在會(huì)降低木材的抗腐性能，并影響木材的滲透性、涂飾、膠合性能[28]，增加人造板生產(chǎn)過(guò)程中的廢水污染及粘板狀況，因此在生產(chǎn)中可添加轉(zhuǎn)換劑進(jìn)行改善。

表5 銀腺楊化學(xué)成分測(cè)定

3 結(jié)論

銀腺楊纖維長(zhǎng)度和導(dǎo)管長(zhǎng)度的分級(jí)屬于中級(jí)，纖維長(zhǎng)寬比平均值為56.68，纖維壁腔比平均值為0.70，纖維比量平均值為54.72 %，說(shuō)明銀腺楊可以作為制漿造紙及人造板的原料進(jìn)行定向選育和生產(chǎn)利用。銀腺楊密度等級(jí)為輕，弦向干縮系數(shù)為0.26%，徑向干縮系數(shù)為0.12%，干縮分級(jí)為4級(jí)，說(shuō)明銀腺楊容易發(fā)生開裂和扭曲變形，應(yīng)在原木采伐后應(yīng)進(jìn)行適時(shí)合理的干燥，防止開裂。抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、綜合強(qiáng)度材性分級(jí)均為2級(jí)，當(dāng)銀腺楊作為結(jié)構(gòu)用材時(shí)，可根據(jù)不同部位的力學(xué)性能進(jìn)行合理使用；銀腺楊纖維素含量高，抽提物含量低，可減少使用生產(chǎn)過(guò)程中的化學(xué)藥品，增加制漿造紙過(guò)程中的纖維得率。