4种杨木轴向成分特征及其KP-AQ法制浆性能研究

张利萍 孙夏杰 王书强 高 慧 傅贤敏 常玉飞

(1.安徽农业大学林学与园林学院，安徽合肥，230036；2.河南省金太阳林业科技有限公司，河南邓州，474100)

人工林杨木具有速生、丰产、硬度适中、色泽浅、纸浆得率高等优点，能生产出性能优良的纸浆，已成为我国木浆的主要原料来源[1]。目前，我国杨木人工林面积已经达到800万hm2，杨树种植面积和是蓄积量均居世界首位[2]。我国是纸张需求大国，用纸量逐年增加，目前杨木的生产量远远不能满足经济发展的需要。

木材在生长过程中发生了径向增粗和轴向伸长的变化。众多学者对木材生长过程的变化进行了很多研究。Yoichi Kojima[3]，Chauhan[4]，Matthew G. Hamiltona[5]，Kana Yamashita[6]等人分别对木材蠕变、声学性能，制浆性能和干缩性能的轴向变异进行了深入研究。Katri Luostarinen分析了西伯利亚松纤维性质的径向和轴向的变化情况[7]。秦特夫等比较了杉木、I-72杨心材和边材化学组成的径向轴向变异[8]。这些研究对木材的利用起到了重要的指导意义。木材化学组成、纤维性质的轴向变化还与木材其他性能相关，如应力变化[9]、激素分布[10]、微观结构[11]等。另外，木材轴向变化的规律与材种、树龄、立地条件、环境因子等因素相关。当前，木材的节约化、精细化利用正在逐步推行，粗放的利用模式正在发生改变。杨木作为重要的木材和纸浆材来源树种，通过对木材轴向变化规律的研究有助于从理论上对木材的生长进行预测、选择，进而通过育种改良提升木材的性能。同时，可为制备高纯度的木材纤维素、合理利用木素、分段利用木材、提升杨木制浆造纸性能等提供理论基础。

本课题以欧美杨107、69杨、中林46杨、中林2001杨为对象，分别测定和比较了4种杨木在树高分别为1.3 m、3.3 m、5.3 m和7.3 m处的化学组成、纤维形态以及制浆造纸性能之间的差异，揭示4种杨木株内轴向变化规律，探讨4种杨木制浆造纸性能的差异，为杨木的选育、改良、精细加工及合理利用提供理论依据。

1 实 验

1.1 材料选取

欧美杨107、69杨、中林46杨、中林2001杨均采自河南省邓州市新野县林场，树龄8年。在该林场内，针对每个品系分别随机取3棵生长健康、树形端正、无病虫害、树龄相同的杨木，每株杨木分为4段，分别在树高为1.3 m、3.3 m、5.3 m、7.3 m(距树干基部距离，下同)处截取5 cm厚圆盘各1个，风干，劈解待用。取部分磨粉，预留40～60目的木粉，平衡水分后测定化学组成。剩余部分用于测定纤维形态及制浆性能。

1.2 测定方法

1.2.1化学组成测定方法

按照GB/T2677—1993测定木材灰分、热水和1%NaOH抽提物，按照GB/T2677—1994测定苯-醇抽出物、聚戊糖含量，按照GB/T2677—1995测定综纤维素含量，按照GB/T2677.8—1994测定酸不溶木素、酸溶木素含量[12]。每个品系杨木的化学组成取自3株树木在同一树高的平均值。

1.2.2纤维性质测定

参照GB/T10336—1989，冰乙酸和双氧水按1∶1的比例混合后将试样离析，在显微镜下测定纤维长度。随机取4～6片横切面切片，置于带有目镜测微尺的高倍显微镜下(放大倍数为400倍)，用XS2-HS显微图像分析系统测定纤维宽度、胞腔径并计算求得纤维壁厚[12]。

1.2.3制浆造纸性能

采用硫酸盐蒽醌法(KP-AQ)对3棵树不同部位分别进行制浆实验。蒸煮条件：用碱量18%(以Na2O计)，硫化度24%，蒽醌用量0.1%，液比1∶4.5，装锅量100 g(绝干材)，145 ℃保温60 min，最高温度165 ℃，保温90 min。

纸张成形和纸张性能测定：使用PFI磨对未漂浆进行打浆，控制打浆度为38～42°SR，制备定量为70 g/m2的手抄片，按照国家标准测定杨木制浆成纸性能(所有指标取值为3株树木在同一树高处的平均值)[12]。

2 结果与讨论

2.1 4种杨木化学组分轴向变化

对4种杨木进行化学组分分析(见图1～图8)。由图可知，4种杨木的灰分(见图1)、热水抽提物含量(见图3)、1% NaOH抽提物含量(见图4)在3.3 m和5.3 m树高处较低，在1.3 m和7.3 m树高处较高。呈现两端高、中间低的现象。这可能是由于1.3 m树高处离根部最近，吸收土壤中的物质较多；而在7.3 m树高处接近树干的稍部，通过光合作用制造的营养物质向基部运输时存在逐步“滞留”现象所致。4种杨木苯-醇抽提物含量(见图2)从1.3 m到7.3 m树高处逐渐增加，表明它们在7.3 m树高处存在较多的苯-醇可溶性物质。

4种杨木Klason木素含量(见图5)从1.3 m到7.3 m树高处逐渐增加，其中，中林46杨的变化比较平缓。

图1 4种杨木灰分的轴向变化

图2 4种杨木苯-醇抽提物含量的轴向变化

图3 4种杨木热水抽提物含量的轴向变化

图4 4种杨木1%NaOH抽提物含量的轴向变化

表1 4种杨木化学组成轴向平均值与变异系数 %

图5 4种杨木Klason木素含量的轴向变化

图6 4种杨木酸溶木素含量的轴向变化

图7 4种杨木综纤维素含量的轴向变化

图8 4种杨木聚戊糖含量的轴向变化

酸溶木素(见图6)从1.3 m到7.3 m树高处逐渐增加，7.3 m处最大。因此，总木素含量从1.3 m到7.3 m树高处是增加的。可以预见，采用这4种杨木制浆时，在7.3 m树高处消耗的药剂较多，制浆难度也较大。

综纤维素含量(见图7)在1.3 m和5.3 m树高处较高，7.3 m处最低，在1.3 m和5.3 m树高处木材制浆得率可能会高于7.3 m树高处。4种杨木聚戊糖含量(见图8)从1.3 m到7.3 m树高处逐渐降低。

由表1可知，4种杨木中，69杨的灰分最高，平均值为1.53%，其次是欧美杨107、中林46杨和中林2001杨。中林2001杨和中林46杨的热水抽提物和1%NaOH抽提物含量明显高于欧美杨107和69杨，而苯-醇抽提物含量相差不大。欧美杨107的Klason木素含量高于69杨、中林46杨和中林2001杨，但是酸溶木素含量最低。总木素含量从高到低分别是欧美杨107、69杨、中林46杨和中林2001杨。综纤维素含量由高到低分别是中林46杨、69杨、中林2001杨和欧美杨107。通常，综纤维素含量越高，木素含量越低，越有利于提高纸浆得率。4种杨木聚戊糖含量相差不大，但是，69杨略高，中林46杨最低。

2.2 4种杨木纤维形态轴向变化

对于木材的制浆造纸性能，不仅要考虑原料的化学组成还需了解原料的纤维性能。纤维性能是评价造纸原料优劣及确定制浆造纸工艺条件的重要依据[13]。

图9 4种杨木纤维长度轴向变化

图10 4种杨木纤维宽度轴向变化

纤维长度是衡量纤维原料的重要指标之一[14]。纤维长度与成纸撕裂强度、抗张强度、耐破强度等物理性能指标息息相关。4种杨木纤维长度(见图9)轴向的变化趋势是一致的，从1.3 m到3.3 m树高处呈下降趋势，3.3 m到5.3 m树高处呈上升趋势，5.5 m到7.3 m树高处呈下降趋势。可见，纤维长度在1.3 m和5.3 m树高处较大，在7.3 m树高处最小。纤维宽度(见图10)在1.3 m树高处较大，在5.3 m树高处较小。纤维宽度大表明纤维细胞壁较厚，化学药剂不易渗透，会增大打浆难度。

表2 4种杨木纤维形态的轴向平均值与变异系数

纤维长宽比越大，打浆过程中纤维越容易发生“溃陷”，从而促进纤维之间交织，提升纤维之间的结合力[15]。4种杨木纤维长宽比(见图11)轴向的变化趋势是一致的，从1.3 m到5.3 m树高处增加，从5.3 m到7.3 m树高处下降，在5.3 m树高处纤维长宽比较大。

图11 4种杨木纤维长宽比轴向变化

图12 4种杨木纤维壁腔比轴向变化

作为造纸原料，通常要求纤维壁腔比小于1.0。壁腔比越小，药剂渗透越快，打浆越容易，纤维的结合力越强。4种杨木纤维壁腔比(见图12)轴向变化趋势是一致的，从1.3 m到3.3 m树高处增加，从3.3 m到5.3 m树高处减小，5.3 m到7.3 m树高处增大，壁腔比在7.3 m树高处最大，5.3 m树高处最小。

由4种杨木轴向的纤维形态指标可以评价其纤维性能的差异。由表2可知，欧美杨107纤维长度最大(1.28 mm)，其次为中林46杨、中林2001杨和69杨。欧美杨107纤维的长宽比最大(56.19)，中林2001杨最小(46.76)。欧美杨107纤维的壁腔比最小(0.34)，中林2001杨纤维壁腔比最大(0.47)。欧美杨107纤维长度最长，纤维长宽比最大，纤维壁腔比最小，制浆性能最好。

2.3 4种杨木制浆性能轴向变化

硫酸盐法是比较成熟的制浆方法，当前80%的纸浆都是采用这种方法制得的。该方法具有得率高、适应性好、成纸强度高等优点[16]。蒽醌是发展比较成熟的制浆助剂，能在化学蒸煮过程中保护纤维素，促进木素脱除[17]。因此选用硫酸盐+蒽醌(KP+AQ)法进行4种杨木制浆。

4种杨木采用KP-AQ法制浆，成浆卡伯值、得率、黏度及残碱沿木材轴向的变化见图13～图16。由图可知，纸浆卡伯值(见图13)从1.3 m到3.3 m树高处逐渐增加，到5.3 m树高处降低，之后又增加。制浆得率(见图14)和纸浆黏度(见图15)在1.3 m和5.3 m树高处较高，在3.3 m和7.3 m树高处得率较低，黏度较小。在1.3 m和5.3 m树高处卡伯值较低，得率和黏度较高，这与1.3 m和5.3 m树高处综纤维素含量高、纤维长度较长、纤维长宽比较大、纤维壁腔比较小有关。另外，还与1.3 m树高处木素含量较低，5.3 m树高处抽提物含量较小有关。

图13 4种杨木成浆卡伯值轴向变化

图14 4种杨木制浆得率轴向变化

图15 4种杨木纸浆黏度轴向变化

图16 4种杨木制浆残碱轴向变化

残碱是衡量制浆过程中用碱量是否合理、制浆条件是否得当的重要指标。如果残碱大，与用碱量过多、蒸煮时间过短、木素含量低、抽提物含量少等因素有关。4种杨木在同一制浆工艺条件下，残碱均在7.0 g/L以下(见图16)，表明该制浆工艺用碱量、保温时间等条件设置较合理。在5.3 m树高处残碱较高，表明这部分木材在制浆过程中碱的消耗量较少，这与其抽提物和木素含量较低有关。

可以采用4种杨木制浆性能的轴向均值来评价其制浆性能的差异(见表3)。由表3可知，欧美杨107的成浆卡伯值最低，为14.47，中林2001杨成浆卡伯值最高，为17.6。这表明在同等制浆条件下，欧美杨107木素脱除的速度较快，制浆相对容易。在得率方面，4种杨木制浆得率都在50%以上，其中中林46杨最高，为51.03%，这与中林46杨的综纤维素含量较高有关。欧美杨107纸浆黏度最大，为1299 mL/g，其次是中林46杨、中林2001杨和69杨。欧美杨107制浆残碱较高，中林2001杨和中林46杨制浆残碱较低，表明在制浆过程中，中林2001杨和中林46杨耗碱量相对较多，可能与这两种木材中热水抽提物和1% NaOH抽提物含量较高有关。

表3 4种杨木制浆性能的平均值及变异系数

2.4 4种杨木制浆成纸性能轴向变化

图17 4种杨木成纸抗张指数轴向变化

表44种杨木纸张性能的平均值及变异系数

树种抗张指数/N·m·g-1撕裂指数/mN·m2·g-1耐破指数/kPa·m2·g-1综合强度指数欧美杨107均值78.175.615.715.66变异系数9.930.650.600.3969杨均值71.165.245.175.20变异系数5.150.350.100.04中林46杨均值74.235.435.315.37变异系数7.380.310.390.12中林2001杨均值71.645.004.934.96变异系数4.420.280.170.05

纸张物理强度主要与纤维长度、纤维之间的结合力、纤维的柔韧性等因素有关。4种杨木纸张强度性能指标轴向的均值可以衡量其制浆造纸性能的优劣。

图18 4种杨木纸张撕裂指数轴向变化

图19 4种杨木纸张耐破指数轴向变化

图20 4种杨木纸张综合强度指数轴向变化

由表4可知，4种杨木纸张抗张指数的均值由高到低分别是欧美杨107、中林46杨、中林2001杨和69杨。4种杨木纸张的耐破指数和撕裂指数的均值由高到低分别是欧美杨107、中林46杨、69杨和中林2001杨。通常，单一物理指标不能从根本上反映浆料的优劣。综合强度指数结合了抗张指数和耐破指数2个因子，可较好地衡量纸张强度性能。4种杨木纸张综合强度指数由大到小依次为欧美杨107、中林46杨、69杨和中林2001杨。可见，欧美杨107纸张强度性能最优，与其纤维长度长、纤维长宽比大、壁腔比小等因素有关。虽然中林2001杨纤维长度比69杨略大，但其纸浆黏度却略小于69杨，另外，中林2001杨壁腔比较大，使其纸张强度略低于69杨。

3 结 论

3.14种杨木的灰分、热水抽提物含量和1%NaOH抽提物含量在1.3 m和7.3 m树高处较高，呈现两端高、中间低的趋势。4种杨木Klason木素和酸溶木素含量从1.3 m树高处到7.3 m树高处逐渐增加。欧美杨107的木素含量轴向平均值最高，其次为69杨、中林46杨和中林2001杨。4种杨木在1.3 m和5.5 m树高处的综纤维素含量较高。中林46杨综纤维素含量的轴向平均值最大，其次为69杨、中林2001杨和欧美杨107。4种杨木从1.3 m到7.3 m树高处聚戊糖含量逐渐减小。

3.24种杨木纤维长度在1.3 m和5.3 m树高处较长；纤维宽度从1.3 m到5.5 m树高处降低，随后开始增大；纤维长宽比在5.3 m树高处最大，7.3 m树高处最小；纤维壁腔比在5.3 m树高处最小，7.3 m树高处最大。欧美杨107的纤维平均长度最大，纤维长宽比最大、壁腔比最小。69杨的纤维平均长度最小。中林2001杨纤维长宽比最小、壁腔比最大。

3.34种杨木纸浆的卡伯值在1.3 m和5.3 m树高处较低，7.3 m树高处最高；得率和黏度在1.3 m和5.3 m树高处较大。在相同制浆条件下，欧美杨107成浆卡伯值最小(为14.7)，黏度最大(1299 mL/g)。中林2001杨成浆卡伯值最大(17.6)。中林46杨的粗浆得率最高(51.03%)。

3.44种杨木制浆后成纸的抗张指数、撕裂指数和耐破指数在1.3 m和5.3 m树高处较大。欧美杨107成纸的综合强度指数最高(5.66)，其次为中林46杨(5.37)，69杨为5.20，中林2001杨为4.96。

由纸张性能的轴向变化趋势看，4种杨木在1.3 m和5.3 m树高处纸张强度指标较大，其次为3.3 m和7.3 m树高处。由4种杨木制浆后成纸强度性能指标的轴向均值可知，制浆造纸性能优劣排序为欧美杨107、中林46杨、69杨和中林2001杨。

参 考 文 献

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