李晶瑩 高 慧 劉盛全 周 亮

(合肥天翔環(huán)境工程有限公司，合肥，230036) (安徽農(nóng)業(yè)大學)

木材是一種常見的紙漿纖維來源，它由多種不同類型死細胞組成，如木纖維(闊葉材)、管胞(針葉材)、導管、薄壁細胞等。這些構(gòu)造分子對于紙漿來說最重要的是木纖維或管胞，通常稱之為纖維;而其它構(gòu)造分子對制漿造紙來說，稱之為雜細胞［1］。眾多研究表明，木材中纖維的相對比例及其形態(tài)特征對于木材的制漿造紙性能具有決定性意義［2－3］。另外，木材的化學組成對其制漿造紙性能也起到了關(guān)鍵性作用［4－6］。要生產(chǎn)出力學性能優(yōu)異的紙張，則需要從木材材性出發(fā)，基于兩者之間的關(guān)系，分析出哪些材性指標與制漿造紙性能關(guān)系最為密切。這樣不僅可以為原料質(zhì)量的早期評測提供理論支持，還可為通過遺傳育種或材質(zhì)改良的方法獲得高品質(zhì)的纖維原料提供具體研究目標?；谝陨系难芯克悸?，學者們針對不同的材性指標，分析了它們與木材制漿造紙性能之間的關(guān)系。在纖維形態(tài)指標中，木材纖維組織比量直接影響木材原料的制漿得率;導管在紙張印刷抄作過程中可能發(fā)生翹起，影響印刷質(zhì)量［7］。纖維長度越長，紙張撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)、斷裂長和耐破度都有所上升［8－10］;纖維長寬比大，紙張力學性能也得到明顯提高。纖維壁越薄，腔越大，壁腔比越小，紙張抗張強度和耐破指數(shù)越高，但是撕裂指數(shù)下降［2，11－16］。在同蓄積量情況下，木材密度越大，原料制漿得率也相應(yīng)增大。但是，密度高的原料，其細胞壁較厚，紙張的物理性能較差［17－19］。

眾多木材材性指標均與其制漿造紙性能之間存在聯(lián)系，需要引入數(shù)理統(tǒng)計的方法，通過分析兩者之間的數(shù)理關(guān)系，找出哪些指標對木材紙漿造紙性能影響更大，并給出定量的比較結(jié)果。T.Ona等在對兩種桉樹(Eucalyptus camaldulensis、E.globulus)的研究中發(fā)現(xiàn)，除了木材原料中纖維特性與紙漿和紙張性能之間存在顯著相關(guān)性外，桉樹中導管的組織比量及其尺寸和壁厚也與制漿得率、紙張撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)、耐折度等指標之間存在顯著相關(guān)性［20］。E.globulus木材纖維微纖絲角度在紙張物理性能指標之間的標準偏相關(guān)系數(shù)均較低，所以結(jié)合前人的研究結(jié)果，R.Wimmer等推斷微纖絲角度對紙張性能的直接影響很小，它主要與其余因子之間產(chǎn)生聯(lián)動作用來影響紙張性能［19］。李忠正、沈文瑛、蔣華松等對不同品系、不同地區(qū)我國主要針葉樹種(馬尾松、杉木、落葉松)、闊葉樹種(楊樹、桉樹)木材性質(zhì)與制漿性能之間關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)，通過線性回歸對所選材性指標與制漿得率和紙張裂斷長獲得的方程，檢驗均顯著;并通過對各變量的標準偏相關(guān)系數(shù)比較，分析各指標對制漿造紙性能影響程度的大小順序［21－23］。近年來，X衍射技術(shù)和近紅外光譜技術(shù)的日益成熟，利用這兩項技術(shù)對木材原料的材性指標進行快速估計，再與木材原料的制漿造紙性能相聯(lián)系，能很快對原料特性和制漿造紙性能之間的數(shù)理關(guān)系進行闡述［24］。

歐美楊 107(Populus×euramericana cv.‘Neva’)(以下簡稱107楊)具有干形通直圓滿、材質(zhì)好、栽植范圍廣、御風能力強、抗寒、抗蟲等優(yōu)良特性［25］。隨著107楊栽植面積的日益增大，其材性和制漿造紙性能逐漸引起學者關(guān)注。張藜等［26］分別對107楊纖維形態(tài)徑向變異進行了描述，宋曉磊等［27］分析了不同地域歐美楊的纖維形態(tài)和木材密度，王樂等［28］比較了不同立地條件和不同樹齡107楊的化學組成，楊蕾等［29］對107楊A(yù)SAM制漿性能進行了探討。筆者所在課題組對107楊解剖特征、化學組成和制漿造紙性能進行了較為詳盡的研究工作［30－31］，但是，有關(guān) 107楊木材材性與制漿造紙性能關(guān)系的研究尚未開展，利用多元線性回歸的方式對楊樹材性和紙張性能之間關(guān)系的研究在國內(nèi)也未見報道。基于此，筆者根據(jù)前期研究工作所取得的實驗數(shù)據(jù)，通過主成分分析和多元線性回歸的方法，定量分析不同材性指標對107楊造紙性能的影響，以期為107楊造紙性能的早期評測和通過遺傳育種或材質(zhì)改良的方法獲得高品質(zhì)的纖維原料提供理論信息。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

本研究用于建立木材材性指標和造紙性能之間關(guān)系多元線性模型的實驗數(shù)據(jù)來自于筆者所在課題組對107楊木材材性和制漿造紙性能徑向變異的研究(見表1)［30－31］。所選的材性指標包括:纖維長度、纖維寬度、纖維長寬比、胞腔徑、雙壁厚、壁腔比、微纖絲角、纖維比量、導管比量、木射線比量、木材基本密度、木材相對結(jié)晶度，造紙性能指標為抗張指數(shù)、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)。上述指標基于對3株7年生107楊測試結(jié)果，每一個指標共有18個數(shù)據(jù)點，每個數(shù)據(jù)點是5個及以上平行實驗測定結(jié)果的均值。

表1 107楊材性指標和造紙性能

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

建立木材材性與木材造紙性能之間的數(shù)學模型，最直接有效的辦法就是進行多元線性回歸，這也是目前學者進行此類研究主要采用的數(shù)學建模方法［19－23，32］。但是，多元回歸分析中經(jīng)常發(fā)生的多重共線性現(xiàn)象可能出現(xiàn)在木材材性指標對制漿性能實行線性回歸時，結(jié)果是雖然線性模型檢驗顯著，但是模型中各指標的回歸系數(shù)均不顯著。采用主成分分析不僅能消除多重共線性，且能最大程度反映全部自變量與因變量之間的關(guān)系。因此本研究在將所有指標進行多元線性回歸之前，引用主成分分析對指標自變量進行主成分提取，用相互獨立的主成分變量對因變量進行線性回歸分析，得到多元線性回歸模型。在進行主成分分析的同時，計算每個被提取的主成分與標準化后自變量之間的線性關(guān)系，并依此將每個自變量代入上述的多元線性回歸模型，形成所有自變量與因變量之間的多元線性回歸方程。本研究采用SPSS Version14進行上述統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析

選擇纖維長度、纖維寬度、纖維長寬比、胞腔徑、雙壁厚、壁腔比、微纖絲角、木射線比量、導管比量、纖維比量、相對結(jié)晶度、木材基本密度共12個木材材性指標(編號為X1—X12)對3個造紙性能指標(抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù))進行多元線性回歸［19，21－23，32］。首先對 12 個材性指標進行主成分分析，結(jié)果見表2和表3。

表2 木材材性指標主成分的統(tǒng)計信息

表2是主成分分析得到的所有成分的特征根值、貢獻率和累計貢獻率。在對所有成分進行主成分選擇時常用兩種方法，一種是以特征根值為界定標準，選擇特征根值＞1的所有成分為主成分;另一種以累計貢獻率為標準，選擇累計貢獻率大于70%的成分為主成分。為更全面地反映各自變量的信息，本研究選擇特征根值為界定標準，即選擇前4個成分為主成分，這4個主成分的累計貢獻率已經(jīng)達到 88.80%。

自變量的標準化變量對主成分的線性回歸分析的結(jié)果以每個主成分因子得分系數(shù)展現(xiàn)出來(表3)，每個主成分因子對每個變量的得分就是該自變量的標準化變量的線性回歸系數(shù)。據(jù)此，主成分分析的4個主成分因子(依次編號為M1—M4)與所選木材材性指標的線性回歸方程為:

式中:X'1為自變量Xi的標準化變量，i=1～12，計算公式為X'i=(Xi－Xi均值)/Xi的變異系數(shù);X1為纖維長度;X2為纖維寬度;X3為纖維長寬比;X4為胞腔徑;X5為雙壁厚、X6為壁腔比;X7為微纖絲角、X8為木射線比量;X9為導管比量;X10為纖維比量;X11為相對結(jié)晶度;X12為木材基本密度。

表3 木材材性指標主成分因子得分系數(shù)

從表3中可以看出，主成分M1表達纖維長度、纖維寬度、纖維長寬比及纖維比量等有關(guān)木纖維數(shù)量和形貌的材質(zhì)指標變異;M2表達胞腔徑和基本密度等有關(guān)紙漿原料密實程度的指標變異;M3表達木射線比量、纖維比量和導管比量等有關(guān)的紙漿原料構(gòu)成的指標變異，并與微纖絲角關(guān)系緊密;M4表達的材性指標構(gòu)成較為復(fù)雜，對木射線比量和纖維比量的解釋較多。

2.2 多元線性回歸模型的建立

將4個主成分對抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)進行多元線性回歸(見表4、表5)。4個主成分對抗張指數(shù)的多元線性回歸模型在0.01水平上顯著，主成分2的回歸系數(shù)在0.01水平上顯著，其余3個主成分的回歸系數(shù)不顯著;對撕裂度的多元線性回歸模型也在0.01水平上顯著，主成分1的回歸系數(shù)在0.01水平上顯著，其余3個主成分的回歸系數(shù)不顯著;對耐破指數(shù)的多元線性回歸模型不顯著。

表4 主成分對紙張性能線性回歸方程的檢驗

表5 主成分對紙張性能線性回歸方程系數(shù)的檢驗

據(jù)表5可得到紙張力學強度與4個主成分之間的線性回歸模型為:

抗張指數(shù)=0.214M1+0.659M2+0.310M3－0.242M4+85.610;

撕裂指數(shù)=0.675M1－0.228M2+0.347M3－0.054M4+11.067;

耐破指數(shù) =0.169M1+0.583M2+0.070M3－ 0.181M4+525.255。

將各個主成分因子與自變量的標準變量之間的線性回歸方程代入上式，得出了木材材性指標對抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)的多元線性回歸模型。研究結(jié)果與前人研究基本一致［19，21－23，32］。

抗張指數(shù)=340.524X1+2.037X2+10.627X3+1.714X4+0.109X5－0.011X6－ 0.311X7+2.794X8－ 3.864X9+3.993X10+1.260X11－0.0313X12+2 288.786;

撕裂指數(shù)=57.962X1+0.244X2+1.837X3－0.071X4+0.258X5+0.018X6－1.246X7+0.121X8－ 0.222X9+0.099X10+0.034X11+0.913X12+355.325;

耐破指數(shù)=1 359.080X1+8.259X2+41.131X3+8.366X4－0.707X5－0.158X6+11.176X7－4.422X8－7.256X9+11.061X10+7.039X11－0.136X12+8 643.946。

2.3 材性指標對造紙性能的影響

各自變量對因變量的標準偏相關(guān)系數(shù)的正負號能反映出該自變量對因變量數(shù)值影響的方向性，正值表示提高，負值表示降低。標準偏相關(guān)系數(shù)的絕對值反映了指標對制漿造紙性能影響程度［19，21－23，32］。比較結(jié)果顯示:纖維長度、纖維長寬比、纖維比量、木射線比量、纖維寬度、胞腔徑、相對結(jié)晶度和雙壁厚能提高抗張指數(shù)(影響程度按順序遞減);而導管比量、微纖絲角、木材基本密度和壁腔比能降低抗張指數(shù)(影響程度按順序遞減)。纖維長度、纖維長寬比、木材基本密度、雙壁厚、纖維寬度、木射線比量、纖維比量、相對結(jié)晶度和壁腔比能提高撕裂指數(shù)(影響程度按順序遞減);而微纖絲角、導管比量和胞腔徑能降低撕裂指數(shù)(影響程度按順序遞減)。纖維長度、纖維長寬比、微纖絲角、纖維比量、胞腔徑、纖維寬度和相對結(jié)晶度能提高耐破指數(shù)(影響程度按順序遞減);而導管比量、木射線比量、雙壁厚、壁腔比和木材基本密度能降低耐破指數(shù)(影響程度按順序遞減)。可知，纖維長度和纖維長寬比對于紙張力學性能尤為重要，這與前人研究所獲得結(jié)論較為一致［19，21－23，32］。其它材性指標對不同紙張力學性能指標的影響程度存在很大差異，需要針對紙張的具體用途，即對力學性能具體要求，來選擇合適的材質(zhì)指標進行評測。

3 結(jié)論

采用主成分分析的方法，從12個所選材性指標中提取了4個主成分，其累計貢獻率達到88.80%，可以實現(xiàn)對所有指標信息的反映。在提取材性指標主成分的基礎(chǔ)上，通過采用多元線性回歸的方法，獲得了針對3個不同紙張力學性能指標的預(yù)測模型。其中，抗張指數(shù)和撕裂度的多元線性回歸模型在0.01水平上顯著，而耐破指數(shù)的多元線性回歸模型不顯著。因此，可以基于楊樹材質(zhì)指標的分析對其制備紙張的抗張指數(shù)和撕裂度進行預(yù)測。對回歸模型中各力學性能指標的標準偏相關(guān)系數(shù)比較可知，纖維長度和纖維長寬比對于紙張力學性能尤為重要，其它材性指標對紙張力學性能的影響程度各異，需要針對紙張的具體用途，來確定適當?shù)牟馁|(zhì)指標進行評測。

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