速生材海州常山制浆性能分析

谢福春 孙 舒 张艳君 秦 栋 王华田

(1.东北农业大学,黑龙江哈尔滨,150030；2.济南市槐荫区兴福街道办事处,山东济南,250117；3.哈尔滨理工大学荣成学院,山东荣成,264300；4.山东农业大学,山东泰安,271018)

速生材海州常山制浆性能分析

谢福春1孙 舒2张艳君3秦 栋1王华田4,*

(1.东北农业大学,黑龙江哈尔滨,150030；2.济南市槐荫区兴福街道办事处,山东济南,250117；3.哈尔滨理工大学荣成学院,山东荣成,264300；4.山东农业大学,山东泰安,271018)

为探讨海州常山作为制浆材的可行性,以来自河南栾川、江苏连云港、山东泰安3个种源的海州常山为原料,分析了其化学成分、纤维形态与制浆性能。结果表明,海州常山的综纤维素平均含量为78.32%,苯-醇抽出物含量低于1.5%,纤维长度700～900 μm,制浆得率约40%,成纸强度指标(耐破指数、耐折度等)与常用的阔叶木制浆材成纸相近,其中，山东泰安种源的海州常山制浆性能综合评价较好。

海州常山；化学成分；纤维形态；制浆性能

与草浆相比,木浆具有纸品质量好、污染程度小等优点,已成为现阶段最主要的造纸原料。在发达国家,木浆占造纸原料的90%以上[1]。据报道,至2020年我国纸和纸板需求量将达到1.5亿t[2],而目前我国用于制浆的树种主要是针叶木,其生长缓慢,轮伐期长,致使我国造纸用木材原料严重不足。培育生长迅速、生物产量大的阔叶木是缓解我国造纸工业木材原料不足的有效途径之一[3- 4]。海州常山(ClerodendrumtrichotomumThumb.)是马鞭草科(Verbenacea)大青属(Clerodendrum)落叶小乔木或灌木,广泛分布在我国华北、华东、中南等地区,日本、朝鲜、菲律宾等国也有种植。海州常山适应性强、耐干旱瘠薄、萌蘖能力强,可在荒山、轻度盐碱地、沙地等条件下生长,同时其生长迅速、木质生物产量高,年生物量可达1.5 t/hm2[5]。目前,对海州常山的研究仅限于其抗逆性、资源调查、繁殖技术等方面,对海州常山制浆性能的研究未见相关报道。笔者通过对比分析3个种源海州常山的化学成分、纤维形态和制浆性能,探讨了其作为制浆材的可行性,旨在为海州常山在制浆造纸领域的应用提供理论依据。

1 实 验

1.1 原料

实验用木材为采自山东农业大学林学实验站的2年生萌蘖苗,该萌蘖苗是经越冬平茬后再次萌蘖而出的海州常山(母株6年生),种源分别来自山东泰安、河南栾川和江苏连云港。于休眠期时采集直径2 cm 枝干若干,并进行切断、剥皮、风干、切片或粉碎处理,备样[6]。

1.2 实验方法

1.2.1 化学成分分析

将木材样品削成木屑,充分混合后,采用四分法取样,将样品在植物原料粉碎机中打碎,收集通过40目筛而不能通过60目筛的细末,并保存于广口瓶中。分别按照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测定水分、灰分、苯-醇抽出物、综纤维素、聚戊糖、酸不溶木素及酸溶木素的含量。

1.2.2 纤维形态分析

将采集的木材切削成30 mm×1.5 mm×1.5 mm的火柴杆状,充分混合后,采用四分法取样,利用硝酸-氯酸钾混合液解离纤维原料[7]。利用加拿大OpTest Equipment Inc生产的纤维质量分析仪(Hire FQA)测定试样纤维的长度、宽度,每个样品测200根,取平均值。

1.2.3 硫酸盐法制浆

将木材样品风干后劈切成25 mm×20 mm×(3～5)mm小木片并混合,采用四分法取样。在液比1∶4、用碱量25%(以Na2O计)、硫化度25%、蒸煮最高温度170℃,升温时间1.5 h、保温时间2 h的条件下,采用ZQS1型15 L电热回转蒸煮锅蒸煮,制备硫酸盐浆。将蒸煮所得浆料转入120目塑料网洗浆器中,用水冲洗干净,然后转入布袋中,脱水至一定干度,平衡水分后测定水分，并计算粗浆得率和细浆得率等。

表1 3个种源海州常山化学成分分析

表2 3个种源海州常山纤维形态分析

1.2.4 打浆和抄纸

取适量未漂木浆,在PFI磨中打浆,打浆转数为8000转。打浆浆料一部分用于测定打浆度,另一部分用于抄造手抄片。根据ISO5269/2—2004标准,采用凯塞法自动抄片机进行抄片,定量为60 g/m2,定量波动为±3.0%。参照GB/T12033—2008方法测定手抄片的强度性能。

1.3 数据分析

采用Excel 2003绘制数据图,采用SPSS13.0软件对测定的各项指标进行方差分析。

2 结果与讨论

2.1 化学成分分析

3个种源海州常山的化学成分如表1所示。由表1可知,不同种源海州常山各化学成分的含量不同,其中聚戊糖、酸溶木素、灰分、苯-醇抽出物含量差异显著,水分和酸不溶木素含量差异不显著。

从表1可看出,江苏连云港种源海州常山的灰分和苯-醇抽出物含量最高,分别达到0.82%和1.5%,显著高于山东泰安和河南栾川种源海州常山(p<0.05)。3个种源海州常山的苯-醇抽出物含量较低,均在1.50%以下,这有利于减少蒸煮化学药品的消耗量,降低对环境的影响。山东泰安种源海州常山的酸溶木素含量最高,达到2.82%,显著高于其他2个种源海州常山(p<0.05)。3个种源海州常山的综纤维素平均含量和酸不溶木素平均含量分别为78.32%和20.04%,与常见阔叶木制浆材相近。河南栾川种源海州常山的聚戊糖含量最高,达到26.70%,分别是山东泰安和江苏连云港种源海州常山的2.1倍与2.5倍,显著高于这2个种源(p<0.01),同时也高于杨树、构树、马褂木等常用阔叶木制浆材,而山东泰安和江苏连云港种源海州常山的聚戊糖含量与2种进口阔叶木制浆材南洋楹和石梓相近[8]。依据上述化学成分分析可知,海州常山的化学成分特征符合制浆材的基本要求。

2.2 纤维形态对比分析

纤维的平均长度、平均宽度、长宽比等形态指标是评价木材制浆性能的重要参考指标。纤维长度与纸张抗张强度、耐破度和撕裂度等指标成正相关[9]。3个种源海州常山的纤维形态分析结果如表2所示。不同种源海州常山的纤维长度和长宽比的差异达到极显著水平(p<0.01),纤维宽度差异不显著,平均宽度为24.55 μm。由此可知,3种源海州常山纤维的长宽比主要受纤维长度的影响。山东泰安种源海州常山的纤维长度最长,达到810 μm,其次是江苏连云港种源的海州常山,纤维长度为766 μm,河南栾川种源海州常山的纤维长度最短,与前两者差异显著,纤维长度只有552 μm；山东泰安种源海州常山的纤维长宽比最大,达到37.33,极显著高于河南栾川种源的海州常山(纤维长宽比为20.28),江苏连云港种源海州常山的纤维长宽比为30.93,与山东泰安种源海州常山没有显著差异,但显著高于河南栾川种源海州常山。

表3 3种源海州常山制浆性能与打浆性能分析

在进行纤维形态分析时,只考察纤维平均长度或长宽比是不够全面的,还必须考虑到纤维长度分布[10]。不同种源海州常山的纤维长度分布有差异(见图1),河南栾川种源海州常山的纤维长度正态分布性弱,较多集中在400～600 μm之间,长度超过900 μm的纤维几乎没有(占比低于2%)，纤维平均长度为552 μm(200根纤维长度的平均值，下同)；而江苏连云港和山东泰安种源海州常山的纤维长度分布更接近于标准正态分布,其中,江苏连云港种源海州常山的纤维长度多集中在500～1000 μm之间(占比达83.5%),纤维平均长度为766 μm，山东泰安种源海州常山的纤维长度多集中在700～1000 μm之间(占比达64.5%)，其纤维平均长度为810 μm。由上述分析可知。海州常山的纤维平均长度为552～810 μm,其纤维长度与构树[11]、窄冠黑杨[12]纤维相近。依据国际木材解剖协会对造纸纤维分级的标准可知,这3个种源海州常山均属于短纤维的树种(国际纤维长度分级标准,短级为700～900 μm)。

2.3 制浆性能与打浆性能分析

3种源海州常山的制浆性能和打浆性能分析结果如表3所示。由表3可知,3种源海州常山的粗浆得率和细浆得率并无显著差异。3种源海州常山粗浆得率分别为40.3%(河南栾川)、38.2%(江苏连云港)、40.5%(山东泰安),平均粗浆得率为39.7%；细浆得率分别为38.8%(河南栾川)、36.6%(江苏连云港)、39.4%(山东泰安),平均细浆得率为38.3%,与日本落叶松、光叶楮的粗浆得率和细浆得率相近,均为40%左右[13-14]。

由表3可知,3种源海州常山的初始打浆度差异显著,由河南栾川和江苏连云港种源海州常山制得的浆料的初始打浆度相近,分别为26°SR和25°SR,显著高于由山东泰安种源海州常山制得的浆料；而由不同种源海州常山制得的浆料打浆后打浆度差异达到极显著水平(p<0.01),由河南栾川种源海州常山制得的浆料打浆后打浆度最高,为54°SR,极显著高于由江苏连云港和山东泰安种源海州常山制得的浆料打浆后的打浆度,分别高出12°SR和8°SR。由此可知,由河南栾川种源海州常山制得的浆料较由其他2个种源海州常山制得的浆料更容易打浆。

2.4 手抄片强度性能分析

纸张的强度性能由纤维间的结合力、纤维自身的强度、纤维在纸张中的分布等因素共同作用[15]。由3种源海州常山制得的手抄片强度性能如表4所示,由表4可知,3种源海州常山手抄片的耐破指数、耐折度、撕裂指数以及裂断长无显著差异,表明由海州常山制得的纸张的强度性能不受原料地域的影响。由不同种源海州常山制得的手抄片的耐破指数为5.14～5.71 kPa·m2/g,平均耐破指数为5.50 kPa·m2/g,该数值高于由桉木、三倍体毛白杨等树种制得的手抄片[16]；撕裂指数为4.38～5.01 mN·m2/g,平均撕裂指数为4.64 mN·m2/g,耐折度为87～94次,平均耐折度为91次,撕裂指数和耐折度低于由常用阔叶木制浆材制得的手抄片,这可能与海州常山属于短纤维树种有关。

图1 3个种源海州常山纤维长度分布

表4 3种源海州常山手抄片强度性能比较

2.5 制浆性能综合评价

制浆性能受多种因素共同影响。将模糊数学隶属函数评判法[17-19]应用到木材制浆性能综合评价中能克服单个指标的片面性,评定结果可较全面地反映木材的制浆性能。模糊数学隶属函数是采用Fuzzy数学中隶属函数法的方法对木材各个制浆性能指标的隶属函数值进行累加,累加数值越高,制浆性能越好。隶属函数值的计算方法如下。

(1)

(2)

其中,x为某一指标的测定值,xmax为某一指标的最大值,xmin为某一指标的最小值。若所测指标与木材的制浆性能呈正相关,则采用式(1)计算隶属值,反之采用式(2)。

笔者结合海州常山化学成分、纤维形态、手抄片强度性能等指标,最终选取苯-醇抽出物含量、综纤维素含量、纤维平均长度、长宽比、撕裂指数等9个指标,采用模糊数学隶属函数法对海州常山的制浆性能进行综合评价,结果见表5。由表5可知,河南栾川种源海州常山的苯-醇抽出物含量、综纤维素含量、聚戊糖含量以及粗浆得率等指标较好；江苏连云港种源海州常山的酸不溶木素含量、成纸撕裂指数和耐折度指标较好,纤维平均长度仅次于山东泰安种源的海州常山；山东泰安种源海州常山的纤维平均长度和长宽比指标较好,酸不溶木素含量、成纸撕裂指数和耐折度指标仅次于江苏连云港种源海州常山,综纤维素含量和粗浆得率等仅次于河南栾川种源的海州常山。山东泰安种源海州常山的综合值最大,为5.92；其次是江苏连云港种源海州常山,为4.45；河南栾川种源的海州常山综合值最小,为4.0。这表明,山东泰安种源的海州常山综合制浆性能最好。

表5 各指标隶属函数值及综合评价结果

3 结 论

3.1 研究了3个种源海州常山的化学成分、纤维形态和制浆性能。3个种源中,江苏连云港种源海州常山的灰分最高,山东泰安种源海州常山的酸溶木素含量最高,河南栾川种源聚戊糖含量最高；3个种源海州常山的苯-醇抽出物含量均较低,在1.50%以下,这些特征符合制浆材的基本要求。山东泰安种源海州常山的纤维长度最长,纤维长度多集中在700～1000 μm,占比达64.5%。

3.2 3种源海州常山的粗浆得率和细浆得率并无显著差异,平均粗浆得率为39.7%,平均细浆得率为38.3%。由河南栾川种源海州常山制得的浆料打浆后打浆度最高,高于由其他2个种源海州常山制得的浆料。由3种源海州常山制得的手抄片的耐破指数、耐折度、撕裂指数以及裂断长无显著差异,故由海州常山制得的纸张的强度性能不受地域的影响。

3.3 采用模糊数学隶属函数法评价分析了3种源海州常山的制浆性能。分析结果表明，山东泰安种源海州常山的综合值最大,表明山东泰安种源海州常山综合制浆性能最好。

[1] 黄润斌. 60年我国造纸工业纤维原料结构演变历程和展望[J]. 纸与造纸, 2009, 9(28): 3

[2] 杨懋暹.2020年中国造纸工业发展预测[J]. 中华纸业, 2010, 31(3): 10.

[3] 张学铭, 张运展, 刑效功. 杨木NS-AQ法超高得率漂白化学浆的研究[J]. 中国造纸学报, 2005, 20(1): 24.

[4] 高捍东, 蔡伟建, 王章荣, 等. 我国纸浆林树种选择与培育技术研究进展[J]. 南京林业大学学报:自然科学版, 2010, 36(6): 141.

[5] 孙 舒. 海州常山营建能源林与纸浆林适宜性分析[D]. 泰安: 山东农业大学, 2014.

[6] 石淑兰, 何福望. 制浆造纸分析与检测[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2010.

[7] 陈秋艳, 魏 璐, 苗庆显,等.绿竹不同部位竹材的物理化学特性研究[J]. 中国造纸学报, 2016, 31(3): 2.

[8] 贺文明, 薛崇昀, 聂 怡, 等. 两种进口阔叶木材纤维质量及制浆性能[J]. 中国造纸, 2009, 28(3): 35.

[9] Robertson C, Olson J, Allen P, et al. Measurement of fiber lengt,coarseness and shape with the FOA[J]. TAPPI J, 1999, 82(10): 97.

[10] 李春明, 李正华, 李 静, 等. 中美山杨优良无性系材性分析与制浆性能的研究[J]. 林业科技, 2015, 40(4): 14.

[11] 何连芳, 白淑云, 刘秉钺. 不同树龄杂交构树的纤维特性及制浆性能研究[J]. 中国造纸学报, 2009, 24(1): 3.

[12] 庞志强, 陈嘉川, 杨桂花. 不同树龄窄冠黑杨11纤维形态与制浆性能[J]. 中国造纸, 2007, 26(9): 2.

[13] 石淑兰, 谢新良, 胡惠仁, 等. 不同树龄日本落叶松的化学组成与制浆特性[J]. 林业科学, 2006, 42(7): 92.

[14] 雷晓春, 陈嘉川, 杨桂花, 等. 光叶楮木质部纤维特性与化学法制浆性能的研究[J]. 中国造纸学报, 2004, 19(1): 3.

[15] 杨 清, 周成贵, 苏光荣, 等. 小叶龙竹的化学成分与制浆性能[J]. 南京林业大学学报: 自然科学版, 2008, 32(1): 67

[16] 雷 鸣, 李建国, 姜靖毅, 等. 几种速生阔叶材的特性分析及其CMP的制浆性能[J]. 天津科技大学学报, 2011, 23(6): 32.

[17] 姜岳忠, 秦光华, 乔玉玲, 等. 杨树胶合板材纸浆材新品种鲁林1号、 2号、 3号选育[J]. 南京林业大学学报: 自然科学版, 2011, 35(6): 15.

[18] Balodis V. Planning of pulp wood production from plantations[J]. Aciar Proceedings, 1991, (35): 135.

[19] 黄秦军, 苏晓华, 王胜东, 等. 杨树新品种‘渤丰1号’杨和‘渤丰2号’杨的综合评价[J]. 林业科学, 2014, 50(5): 75.

(责任编辑：陈丽卿)

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

国家十二五公益性行业重大科研专项子课题(201104002- 6)

谢福春,女,1981年生；在读博士研究生；主要研究方向：森林生理生态研究。

*通信联系人：王华田,E-mail:wanght@sdau.edu.cn。

TS721

A

1000- 6842(2017)01- 0007- 05