陸雅婕 丁小龍 高文麗 付建虎 高 慧

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥，230036)

中林-46楊正常木與應(yīng)拉木制漿性能的比較1)

陸雅婕 丁小龍 高文麗 付建虎 高 慧

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥，230036)

以中林-46楊正常木與應(yīng)拉木為研究對(duì)象，分析比較其在纖維形態(tài)、化學(xué)組成和制漿漂白上的差異。結(jié)果表明在纖維形態(tài)上應(yīng)拉木的雙壁厚、壁腔比、木射線比量和纖維比量均高于正常木，而正常木的纖維長(zhǎng)寬比、胞腔徑、導(dǎo)管比量均大于應(yīng)拉木；在化學(xué)組成上，應(yīng)拉木的纖維素、苯醇抽出物、1% NaOH抽出物、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于正常木，而正常木的半纖維素、綜纖維素、木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于應(yīng)拉木；在制漿漂白上，應(yīng)拉木比正常木得率高，卡伯值和白度較低。

正常木；應(yīng)拉木；纖維形態(tài)；化學(xué)組成；制漿；漂白

Normal wood; Tension wood; Fiber morphological properties; Chemical compositions; Pulping; Bleaching

隨著石油資源的日益枯竭以及環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，國(guó)內(nèi)木材行業(yè)對(duì)資源的可持續(xù)利用有了更高的認(rèn)識(shí)，而在當(dāng)前我國(guó)木材利用率較低的現(xiàn)實(shí)背景下，人們普遍認(rèn)同提高木材的利用率對(duì)木材資源的可持續(xù)利用具有重要意義[1]。同時(shí)，天然森林資源的快速消耗給環(huán)境帶來(lái)了巨大的壓力，人工林速生楊目前已被認(rèn)為是木材加工利用的主要樹(shù)種之一，但速生楊由于生長(zhǎng)速度快、生長(zhǎng)環(huán)境及自身需要的影響往往會(huì)產(chǎn)生不同于正常木的組織，例如應(yīng)拉木，這種現(xiàn)象普遍產(chǎn)生于傾斜生長(zhǎng)的樹(shù)干且占的比例較多[2]。

在闊葉樹(shù)材傾斜或彎曲樹(shù)干和枝條上側(cè)的橫切面上，一部分生長(zhǎng)輪明顯偏寬，這部分木材稱為應(yīng)拉木[3]。由于應(yīng)拉木與正常木結(jié)構(gòu)上的差異使其在人造板加工利用上產(chǎn)生一定的缺陷，例如鋸解時(shí)鋸材易扭曲，干燥時(shí)易開(kāi)裂、變形，旋切時(shí)表面易起毛等。因此，進(jìn)一步尋找應(yīng)拉木的應(yīng)用方法是速生林綜合利用的有效途徑。

中林-46楊Populus×euramericana(Dode) Guiner CL.‘zhonglin46’是1979年由中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院培育而成的速生栽培品種，它繁殖容易，適應(yīng)力強(qiáng)，早期生長(zhǎng)迅速[4]。本研究主要分析比較了中林-46楊正常木與應(yīng)拉木的纖維形態(tài)、化學(xué)組成及制漿漂白性能各方面的差異，為進(jìn)一步拓寬應(yīng)拉木的應(yīng)用范圍打下一定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

選用安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園實(shí)驗(yàn)基地的無(wú)性系中林-46楊為研究材料，分別采伐了一棵直立樹(shù)木和一棵傾斜樹(shù)木(主干的傾斜角度被人工培育成約為45°)，利用碘—氯化鋅染色法，從傾斜樹(shù)干的上部區(qū)分出應(yīng)拉木區(qū)，隨后采用機(jī)械剔除的方法得到實(shí)驗(yàn)所需要的應(yīng)拉木。同時(shí)以直立樹(shù)干中的木材為正常木。

1.1 解剖結(jié)構(gòu)觀察及纖維形態(tài)測(cè)定

將試樣先制成永久木材橫切片，然后置于普通光學(xué)顯微鏡下測(cè)量纖維寬度、雙壁厚、胞腔徑和組織比量；木材纖維長(zhǎng)度測(cè)定采用過(guò)氧化氫—冰醋酸離析法；木材結(jié)晶度的測(cè)定采用X射線衍射法。

1.2 化學(xué)組成的測(cè)定

將區(qū)分好的試樣風(fēng)干后劈成火柴棒大小，然后置于JFSD-100-II型粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，取粒徑為40～60目的細(xì)末貯于具磨口玻塞的廣口瓶備用；化學(xué)組成的測(cè)定按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行：苯醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用GB/T 10741—2008的方法測(cè)定，1% NaOH抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用GB 2677.5—1993的方法測(cè)定，綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用酸性亞氯酸鈉法(GB 2677.10—1981)測(cè)定，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用硝酸—乙醇法測(cè)定，戊聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用GB/ T745—2003的方法測(cè)定，Klason木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用體積分?jǐn)?shù)為72%的濃硫酸法(GB/T 747—2003)測(cè)定，酸溶木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用GB/T 10337—2008的方法測(cè)定，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用GB/T 742—2008法測(cè)定。以上實(shí)驗(yàn)同時(shí)測(cè)3次平行試樣。

1.3 制漿

用燒堿—蒽醌法(AP—AQ法)進(jìn)行，工藝條件由化學(xué)組成及摸索性實(shí)驗(yàn)制定。

1.4 漂白

采用全無(wú)氯三段漂白：氧漂(O1、O2段)—螯合劑處理(Q段)—氧加壓的過(guò)氧化氫漂(PO段)。(O1、O2)表示兩段之間不洗滌，O1段漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，用堿量2%，硫酸鎂用量0.5%，氧壓0.7 MPa，溫度80 ℃，時(shí)間30 min；O2段漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，用堿量1%，硫酸鎂用量0.5%，氧壓0.3 MPa，溫度100 ℃，時(shí)間60 min。Q段：漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，EDTA(乙二胺四乙酸)0.5%，用2%硫酸處理pH值至3，溫度80 ℃，時(shí)間60 min。PO段：漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，過(guò)氧化氫用量為4%，用堿量2%，硫酸鎂用量0.05%，氧壓0.6 MPa，溫度90 ℃，時(shí)間80 min，硅酸鈉用量1.5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)拉木與正常木的纖維形態(tài)

對(duì)木材纖維來(lái)說(shuō)，壁腔比小于1的被列為上等造紙用材，等于1的為中等造紙用材，大于1的則為劣等造紙用材。因?yàn)槔w維長(zhǎng)、壁薄，腔大的纖維越柔軟，彼此易于結(jié)合，即纖維交織能力越強(qiáng)，成紙強(qiáng)度也越高[5-6]。由表1得知，正常木壁腔比為0.37，而應(yīng)拉木為1.16，長(zhǎng)寬比分別為43.99和42.93，因此，從壁腔比和長(zhǎng)寬比來(lái)看，應(yīng)拉木成紙質(zhì)量可能低于正常木。目前在正常木與應(yīng)拉木之間的纖維長(zhǎng)度、寬度的研究比較中，仍然存在很多爭(zhēng)議，但普遍認(rèn)為應(yīng)拉木由于細(xì)胞壁膠質(zhì)層的存在，其細(xì)胞壁厚度要大于正常木[2]。應(yīng)拉木和正常木橫切面顯微圖片如圖1、圖2所示，應(yīng)拉木有明顯的膠質(zhì)層。

圖1 正常木橫切面(400×)

圖2 應(yīng)拉木橫切面(400×)

木材纖維長(zhǎng)度/μm纖維寬度/μm腔徑/μm雙壁厚/μm纖維長(zhǎng)寬比壁腔比正常木106024．6616．556．0943．990．37應(yīng)拉木109025．9310．0612．3042．931．16

闊葉材中非纖維細(xì)胞質(zhì)量分?jǐn)?shù)比針葉材的多，非纖維細(xì)胞質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)多，會(huì)影響成紙質(zhì)量，使紙的強(qiáng)度下降，不透明度下降，漂白困難，同時(shí)給制漿造紙操作過(guò)程帶來(lái)困難，例如抄紙時(shí)易斷頭、黏輥等影響抄紙車速[6]。由表2可看出應(yīng)拉木纖維比量和木射線比量比正常木大，導(dǎo)管比量比正常木小。

表2 正常木與應(yīng)拉木組織比量

2.2 應(yīng)拉木與正常木的化學(xué)組成

由表3可知，正常木和應(yīng)拉木的總木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為23.87%和22.46%，總木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，制漿越容易，消耗蒸煮的化學(xué)藥品越少；纖維素正常木48.00%，應(yīng)拉木53.8%，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，制漿的得率越高；戊聚糖正常木23.80%，應(yīng)拉木21.00%；半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，原料打漿越容易，纖維結(jié)合強(qiáng)度高，但是半纖維素性質(zhì)不穩(wěn)定，容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；正常木與應(yīng)拉木的1%NaOH抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16.02%和19.69%，苯醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.66%和4.11%，應(yīng)拉木抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比正常木高，抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)脫木素程度和制漿得率有一定影響，抽出物多的木材制漿時(shí)蒸煮液消耗多[7]。

表3 應(yīng)拉木與正常木的化學(xué)組成比較 %

2.3 制漿性能

通過(guò)摸索性實(shí)驗(yàn)比較了硫酸鹽—蒽醌法和燒堿—蒽醌法中制漿得率和卡伯值，因在硫酸鹽—蒽醌法中，硫化鈉蒸煮液性質(zhì)不穩(wěn)定，其中含有的多硫化物等雜質(zhì)對(duì)設(shè)備有嚴(yán)重的腐蝕作用，制漿過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境且對(duì)人體有害的氣體，制得的漿顏色深不易漂白，因此本實(shí)驗(yàn)采用燒堿—蒽醌法制漿。

2.3.1 正交試驗(yàn)

采用燒堿—蒽醌法進(jìn)行制漿實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合化學(xué)組成特點(diǎn)。為了找出制漿的最佳工藝條件，先以正常木為材料，確定基本工藝條件：絕干試材30 g，m(絕干試材)∶V(蒸煮液)=1 kg∶4.5 L，蒽醌0.1%，再選擇用堿量、最高溫度、保溫時(shí)間為3因素，在3水平下進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)(見(jiàn)表4)。每組做平行實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩次并取平均值，結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 正交試驗(yàn)因素水平

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1.1 極差分析

由表6對(duì)卡伯值和得率的極差分析可知，用堿量對(duì)卡伯值和得率的影響最大，最高溫度次之，保溫時(shí)間影響最小。

表6 正常木制漿得率和卡伯值的極差分析

2.3.1.2 方差分析

考慮到用堿量、保溫時(shí)間和最高溫度3因素對(duì)得率和卡伯值的綜合影響以及3因素與得率、卡伯值的內(nèi)在關(guān)系，本研究除從極差分析的角度直觀地分析制漿的最佳條件外，還從方差分析的角度來(lái)分析因子對(duì)指標(biāo)的影響。對(duì)正常木經(jīng)過(guò)燒堿—蒽醌法制漿測(cè)得的卡伯值和得率方差分析見(jiàn)表7。

表7 正常木制漿得率和卡伯值的方差分析

可以看出，用堿量對(duì)卡伯值的顯著值p=0.023<0.05，在0.05水平上顯著，說(shuō)明用堿量的不同對(duì)卡伯值的影響是顯著的。而最高溫度和保溫時(shí)間對(duì)卡伯值的顯著值都大于0.1，說(shuō)明最高溫度和保溫時(shí)間對(duì)卡伯值的影響都不顯著。用堿量對(duì)得率的顯著值p=0.027<0.05，在0.05水平上顯著，說(shuō)明用堿量對(duì)得率的影響是顯著的。而最高溫度對(duì)得率的顯著值p=0.082<0.1，在0.1水平上是顯著的。保溫時(shí)間對(duì)得率的顯著值p=0.206>0.1，影響不顯著?？芍獙?duì)制漿得率和卡伯值影響最大的是用堿量，最高溫度和保溫時(shí)間次之。這與前面的極差分析結(jié)果一致。

綜合考慮用堿量、最高溫度和保溫時(shí)間對(duì)得率和卡伯值的影響，加上最高溫度對(duì)纖維素降解有一定影響，得出最佳工藝條件為用堿量16%，最高溫度162 ℃，保溫時(shí)間90 min。

2.3.2 正常木與應(yīng)拉木制漿性能的比較

實(shí)驗(yàn)采用燒堿—蒽醌法在相同工藝條件下蒸煮，分為用堿量不同的兩組，蒸煮工藝條件為m(絕干試材)∶V(蒸煮液)=1 kg∶4.5 L，最高溫度162 ℃，蒽醌添加量0.1%，保溫時(shí)間90 min，結(jié)果見(jiàn)表8?？芍谙嗤に嚄l件下制得的漿料，楊樹(shù)應(yīng)拉木的卡伯值低于正常木，且應(yīng)拉木得率高于正常木。楊樹(shù)正常木與應(yīng)拉木在用堿量為16%時(shí)所制的漿料卡伯值均比用堿量14%時(shí)低，而得率略低，說(shuō)明楊樹(shù)制漿的最佳工藝條件為用堿量16%，這與前面楊樹(shù)制漿的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

表8 正常木與應(yīng)拉木制漿性能的比較

2.4 全無(wú)氯漂白

經(jīng)氧漂(O1、O2)—螯合劑處理(Q)—氧加壓的過(guò)氧化氫漂(PO)3段漂后得出正常木白度為79.7%，應(yīng)拉木白度為64.8%。應(yīng)拉木漂白前卡伯值低于正常木，而在漂白后白度沒(méi)有正常木高，這是因?yàn)榘锥鹊拇笮≈饕蓾{中共軛羧基和共軛羰基等發(fā)色基團(tuán)的破壞程度決定，其他羥基、羧基等助色基團(tuán)的削弱和破壞也起到一定作用[8]。研究表明，應(yīng)拉木木質(zhì)素中羥基、共軛羧基等助色和生色基團(tuán)比正常木木質(zhì)素中多，故應(yīng)拉木的殘余木質(zhì)素很難脫出[9]。

2.5 相對(duì)結(jié)晶度分析

采用XRD測(cè)定正常木和應(yīng)拉木木粉和漂白漿的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算相對(duì)結(jié)晶度，結(jié)果得知正常木木粉和應(yīng)拉木木粉相對(duì)結(jié)晶度分別為53.81和55.49；正常木漂白漿和應(yīng)拉木漂白漿的相對(duì)結(jié)晶度分別為72.8和75.42。對(duì)于木粉和漂白漿，正常木相對(duì)結(jié)晶度均低于應(yīng)拉木。這與Marcus Foston等[10]測(cè)得結(jié)果相符合。

3 結(jié)論

中林-46楊應(yīng)拉木與正常木相比具有較高的雙壁厚、壁腔比、射線比量和纖維比量，較低的胞腔徑和導(dǎo)管比量。應(yīng)拉木的纖維長(zhǎng)度和纖維寬度比正常木略高，但相差不大。

中林-46楊應(yīng)拉木有明顯的膠質(zhì)層，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于正常木，苯醇抽出物與1% NaOH抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)也比正常木高，而木質(zhì)素及半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于正常木。

在制漿漂白方面，應(yīng)拉木制漿得率高且卡伯值低，但漂白后白度沒(méi)有正常木高。通過(guò)極差分析和單因素方差分析可知用堿量對(duì)制漿得率和卡伯值影響最大，最高溫度和保溫時(shí)間次之。

無(wú)論是原料木粉還是漂白漿，應(yīng)拉木的相對(duì)結(jié)晶度均比正常木的高。

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陸雅婕，女，1989年7月生，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，碩士研究生。

高慧，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，教授。E-mail:huigaozh@163.com。

2013年7月24日。

S792.11

Wood Pulp Properties of Normal Wood and Tension Wood ofPopulus×euramericana(Dode) Guiner CL.‘zhonglin 46’/Lu Yajie, Ding Xiaolong, Gao Wenli, Fu Jianhu, Gao Hui(Anhui Agricultural University, HeFei 230036, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(4).-85～88

1) 安徽省自然科學(xué)基金(1208085MC37)。

責(zé)任編輯：戴芳天。

With normal wood and tension wood ofPopulus×euramericana(Dode) Guiner CL.‘zhonglin 46’, the experiment was conducted to study the effects of fiber morphological properties, chemical compositions, pulping, and bleaching. The width of cell wall, runkel ratio, ray proportion, and fiber proportion of tension wood are higher than those of normal wood. However, the fibrous length-width ratio, lumen diameter and vessel proportion of tension wood are lower than those of normal wood. In the chemical composition, the cellulose content, benzene-alcohol extractives, 1% of NaOH extractives and ash of tension wood are higher than those of normal wood. The hemicellulose, holocellulose and lignin of tension wood are less than those of normal wood. In pulping and bleaching for normal wood and tension wood, the tension wood has higher pulping yield, lower Kappa number, and lower brightness of pulp than those of normal wood.