欧美杨107杨制浆造纸性能的径向变异1)

2011-05-31张利萍刘盛全

东北林业大学学报 2011年10期

周亮高慧张利萍刘盛全

(安徽农业大学，合肥，230036)

人工林杨树是一种非常优良的制浆造纸原料，也是目前我国阔叶材浆的原料主要来源之一［1］。由于杨树木材纸浆生产出的纸张白度较高，各项性能较为优良，是目前我国主要的文化用品纸纸浆原料［2－4］。因此对于人工林杨树的制浆造纸性能研究也开展较早，而且涉及内容也较为全面，主要针对我国推广面积较广的杨树无性系制浆造纸性能，以及定向培育措施对制浆造纸性能的影响等内容［3，5－18］。木材性质的径向变异是由形成层引起的，不同年龄的树木形成层所分化的细胞，其结构和性能存在一定差异性，这种变化即形成所谓的木材性质径向变异［19－21］。对于木材制浆造纸特性，通常来说随着树龄的增加，其制浆造纸性能变化也较大，如幼龄期木材的木质素质量分数较高、导管组织比量过高，因此制浆得率较低等。此外，幼龄期木材形成的纸张相对于成熟材来说，撕裂指数和耐破指数较低，但是由于纤维之间结合紧密导致了其纸张的裂断长度较高［7，9，22－28］。

欧美杨107(Populus× euramericana cv.‘Neva’)(以下简称107杨)具有干形通直圆满、材质好、栽植范围广、御风能力强、抗寒、抗虫等优良特性，目前在山东、安徽、河北、辽宁、山西、河南等省广为栽植，粗略统计我国已推广约6.7×104hm2欧美杨107和108人工林［29］。随着107杨栽植面积的日益增大，其材性和制浆造纸性能也引起学者关注。张藜等［30］分别对5年生107杨纤维形态径向变异进行了描述，宋晓磊等［31］分析不同地域欧美杨纤维形态和木材密度，王乐等［32］比较了不同立地条件和不同树龄107杨的化学组成，杨蕾等［16］对107杨ASAM制浆性能进行了探讨。上述研究工作主要针对木材材性和制浆性能进行了初步研究，对于107杨制浆造纸性能的径向变异研究尚未涉及。笔者在研究107杨解剖特征和化学组成径向变异的基础上［33－34］，开展其制浆造纸性能径向变异研究，以期为分析径向变异对制浆造纸性能的影响，确定107杨人工纸浆林的合理轮伐期提供理论信息。

1 材料与方法

1.1 材料

采集地位于河南省濮阳市白岗乡林场，该林场位于黄河滩区，为黄河冲积平原，土壤类型为轻沙壤，偏盐碱，pH值为7.8左右。按照小班数据进行林地踏查，挑选3株长势良好、干形较为通直的7年生107杨平均木，依次编号为Z1、Z2、Z3。分别从3株杨树中截取高度为1.00～1.45 m的木段，再将木段锯成厚度约为3 cm的圆盘，随后按照生长轮进行试样划分。由于第1生长轮和第2生长轮较窄，因此将这2个试样进行合并。最终每个单株有6个试样，3个单株共划分成18个试样。试样划分好后再劈解成小木棒，气干后备用。

1.2 方法

蒸煮正交试验和制浆性能测定方法:选定硫酸盐法进行化学制浆。蒸煮设备为含自制4个1 L小群罐的高压蒸煮锅。制浆条件为:用碱量15%(以Na2O计)，最高温度164℃，最高温度保温时间75 min，m(蒸煮液)∶m(绝干木材)=1∶4;硫化度为24%(以Na2S计)。蒸煮时间曲线为:蒸煮时首先空转10 min，然后开始加热，到120℃首先进行小放气，排除锅中残余空气，在150℃时先保温30 min，然后在设定的最高温度保持设定的时间。制浆完成后，将纸浆洗涤至中性，测定制浆得率和卡伯值。每组试样设3个平行蒸煮实验。

纸张成型和纸张性能测定:使用PFI磨对未漂白硫酸盐浆进行打浆，控制打浆度约40°SR。使用纸张成型机制备定量为70 g·m－2手抄纸片，随后按照国家标准测定并计算纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破指数［35］。

2 结果与分析

2.1 制浆造纸性能及其径向变异

对所选试材进行硫酸盐法制浆，并制备手抄纸片测定纸张力学性能。实验结果如表1所示。制浆得率变化幅度为41.48%～53.78%，卡伯值的变化幅度为 19.20～25.30，抗张指数变化幅度为 70.75～98.61 N·m·g－1，耐破指数变化幅度50.02～68.18 kPa·m2·g－1，撕裂指数变化幅度为 6.67～13.84 mN·m2·g－1。107杨制浆造纸性能均值分别为制浆得率 48.39%，卡伯值 22.16，抗张指数 85.61 N·m·g－1，耐破指数 58.38 kPa·m2·g－1，撕裂指数 13.72 mN·m2·g－1。将107杨制浆造纸性能的变化幅度和平均值与其它杨树无性系进行综合比较发现，107杨的制浆造纸性能处于中等水平［5－12，16，36］。

从表1所列数据分析可知，3株107杨制浆得率和卡伯值径向变异模式基本相同。制浆得率从髓心向外迅速波动上升，到第6生长轮后微弱下降;卡伯值从髓心向外开始逐渐降低，到第4生长轮时出现最低值，随后逐渐上升。与前文对107杨化学组成径向变异研究结果相对照［34］，可以明显看出制浆得率和纤维素类型化学组成径向变异模式较为相似，而卡伯值与木质素质量分数径向变异模式也较为相似，这种类似性是木材原料特性与制浆性能关系的最好诠释。综合分析制浆得率和卡伯值径向变异模式，笔者认为从制浆性能出发，107杨纸浆林的轮伐期要长于6 a。如果轮伐期过短，木材生成纸浆的能力还没有达到顶峰，对纸浆产量具有一定负面影响。

3株107杨纸张力学性能的径向变异模式较为类似。抗张指数从髓心向外逐渐增加，到第5生长轮后缓慢下降;耐破指数的径向变异模式与抗张指数较为类似，从髓心向外迅速增加至第5生长轮，随后开始缓慢下降。撕裂指数在生长轮初期(即第1、第2、第3生长轮附近)主要还是保持一个较为平稳的缓慢上升的状态，到第4、第5生长轮之间保持基本不变，随后在第6生长轮后迅速攀升。纸张性能的径向变异变化受到许多因子影响，原材料的纤维特性，以及打浆度、纸张的定量等因素都能影响其数值，因此造成了各单株之间出现了较大的差异。本研究所得出杨树木材制浆造纸性能的径向变异与前人研究结论类似。

表1 各单株、各生长轮制浆造纸性能均值

通过与前文对107杨解剖特征径向变异研究结论相对照，可以发现纸张性能的径向变化趋势与纤维特性的径向变化趋势关系紧密［33］。随着纤维长度、长宽比的增加，纸张纤维之间的结合位点和接触面积增加，因此纤维之间的氢键结合数量有所提高，所以纤维之间的结合力得到增强。随着细胞壁厚度的增加，一方面，成纸时纤维之间叠加越发困难，塌陷程度降低，因此纤维之间结合位点和接触面积减小，降低了纤维之间的结合强度;另一方面，由于壁厚的增加提高了单根纤维的强度，也提高了纤维本身的力学性能［37－41］。抗张指数、耐破指数主要验证纸张纤维之间的结合力的大小，因此从髓心向外，随着纤维长度和长宽比的增加，开始出现迅速增长的趋势;但是随着壁厚的增加，抗张指数的上升趋势得到了抑制，因此在第5生长轮达到最大值后开始下降。由于撕裂指数的大小不仅与纸张纤维的之间结合力有关，而且与单根纤维的力学性能关系更为密切，因此，从髓心向外胞壁厚度的增加一方面降低了纤维之间的结合力，另一方面提高了单根纤维的强度。这两种作用与其它纤维形态指标的作用相互交织，形成了撕裂指数特有的径向变异模式。综合考查本研究各单株的纸张性能径向变异模式，笔者认为如果从纸张性能出发，107杨纸浆林最佳轮伐期不能超过5生长轮。

2.2 方差分析

以18个试样的制浆造纸性能均值为数据源，利用单因素方差分析不同单株和不同年轮在制浆得率、卡伯值、抗张指数、耐破指数、撕裂指数之间的差异显著程度。分析结果显示，不同单株之间撕裂指数差异在0.001水平上显著，卡伯值在0.01水平上显著，其余各指标差异均不显著。不同生长轮之间，制浆得率、抗张指数、撕裂指数、耐破指数均在0.001水平上差异显著，而卡伯值差异不显著。根据单因素方差分析结果可以认为，在进行杨树造纸性能评测时要注意单株之间和生长轮之间的差异对结果的影响。尤其是在不同树龄之间，由于解剖特征和化学组成径向变异的存在，其制浆造纸性能在各生长轮之间差异显著。

表2 不同单株和不同生长轮之间制浆造纸性能差异的单因素方差分析结果

3 结论

107杨制浆造纸性能均值分别为制浆得率48.39%，卡伯值 22.16，抗张指数 85.61 N·m·g－1，耐破指数 58.38 kPa·m2·g－1，撕裂指数 13.72 mN·m2·g－1。与其它杨树无性系进行综合比较发现，107杨的制浆造纸性能处于中等水平。107杨制浆造纸性能径向变异模式分别为:制浆得率从髓心向外迅速波动上升，到第6生长轮后微弱下降;卡伯值从髓心向外开始逐渐降低，到第4生长轮时出现最低值，随后逐渐上升;抗张指数从髓心向外逐渐增加，到第5生长轮后开缓慢下降;耐破指数的径向变异模式与抗张指数较为类似，从髓心向外迅速增加至第5生长轮，随后开始缓慢下降;撕裂指数在生长轮初期主要还是保持一个较为平稳的缓慢上升的状态，到第4、第5生长轮之间保持基本不变，随后在第6生长轮后迅速攀升。综合考查制浆性能和纸张性能径向变异模式，笔者认为从制浆性能出发，107杨纸浆林的轮伐期要长于6 a，而从纸张性能出发，107杨纸浆林轮伐期要不能超过5 a，再综合考虑生长量等其它因素，107杨纸浆林最佳轮伐期应为6 a。单因素方差分析结果显示，不同单株之间撕裂指数差异在0.001水平上显著，卡伯值在0.01水平上显著，其余各指标差异均不显著。不同生长轮之间，制浆得率、抗张指数、撕裂指数、耐破指数均在0.001水平上差异显著，而卡伯值差异不显著。

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