周 亮 高 慧 張利萍 劉盛全
(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),合肥,230036)
人工林楊樹是一種非常優(yōu)良的制漿造紙原料,也是目前我國闊葉材漿的原料主要來源之一[1]。由于楊樹木材紙漿生產(chǎn)出的紙張白度較高,各項性能較為優(yōu)良,是目前我國主要的文化用品紙紙漿原料[2-4]。因此對于人工林楊樹的制漿造紙性能研究也開展較早,而且涉及內(nèi)容也較為全面,主要針對我國推廣面積較廣的楊樹無性系制漿造紙性能,以及定向培育措施對制漿造紙性能的影響等內(nèi)容[3,5-18]。木材性質(zhì)的徑向變異是由形成層引起的,不同年齡的樹木形成層所分化的細(xì)胞,其結(jié)構(gòu)和性能存在一定差異性,這種變化即形成所謂的木材性質(zhì)徑向變異[19-21]。對于木材制漿造紙?zhí)匦?,通常來說隨著樹齡的增加,其制漿造紙性能變化也較大,如幼齡期木材的木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高、導(dǎo)管組織比量過高,因此制漿得率較低等。此外,幼齡期木材形成的紙張相對于成熟材來說,撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)較低,但是由于纖維之間結(jié)合緊密導(dǎo)致了其紙張的裂斷長度較高[7,9,22-28]。
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(fēng)能力強(qiáng)、抗寒、抗蟲等優(yōu)良特性,目前在山東、安徽、河北、遼寧、山西、河南等省廣為栽植,粗略統(tǒng)計我國已推廣約6.7×104hm2歐美楊107和108人工林[29]。隨著107楊栽植面積的日益增大,其材性和制漿造紙性能也引起學(xué)者關(guān)注。張藜等[30]分別對5年生107楊纖維形態(tài)徑向變異進(jìn)行了描述,宋曉磊等[31]分析不同地域歐美楊纖維形態(tài)和木材密度,王樂等[32]比較了不同立地條件和不同樹齡107楊的化學(xué)組成,楊蕾等[16]對107楊A(yù)SAM制漿性能進(jìn)行了探討。上述研究工作主要針對木材材性和制漿性能進(jìn)行了初步研究,對于107楊制漿造紙性能的徑向變異研究尚未涉及。筆者在研究107楊解剖特征和化學(xué)組成徑向變異的基礎(chǔ)上[33-34],開展其制漿造紙性能徑向變異研究,以期為分析徑向變異對制漿造紙性能的影響,確定107楊人工紙漿林的合理輪伐期提供理論信息。
采集地位于河南省濮陽市白崗鄉(xiāng)林場,該林場位于黃河灘區(qū),為黃河沖積平原,土壤類型為輕沙壤,偏鹽堿,pH值為7.8左右。按照小班數(shù)據(jù)進(jìn)行林地踏查,挑選3株長勢良好、干形較為通直的7年生107楊平均木,依次編號為Z1、Z2、Z3。分別從3株楊樹中截取高度為1.00~1.45 m的木段,再將木段鋸成厚度約為3 cm的圓盤,隨后按照生長輪進(jìn)行試樣劃分。由于第1生長輪和第2生長輪較窄,因此將這2個試樣進(jìn)行合并。最終每個單株有6個試樣,3個單株共劃分成18個試樣。試樣劃分好后再劈解成小木棒,氣干后備用。
蒸煮正交試驗和制漿性能測定方法:選定硫酸鹽法進(jìn)行化學(xué)制漿。蒸煮設(shè)備為含自制4個1 L小群罐的高壓蒸煮鍋。制漿條件為:用堿量15%(以Na2O計),最高溫度164℃,最高溫度保溫時間75 min,m(蒸煮液)∶m(絕干木材)=1∶4;硫化度為24%(以Na2S計)。蒸煮時間曲線為:蒸煮時首先空轉(zhuǎn)10 min,然后開始加熱,到120℃首先進(jìn)行小放氣,排除鍋中殘余空氣,在150℃時先保溫30 min,然后在設(shè)定的最高溫度保持設(shè)定的時間。制漿完成后,將紙漿洗滌至中性,測定制漿得率和卡伯值。每組試樣設(shè)3個平行蒸煮實驗。
紙張成型和紙張性能測定:使用PFI磨對未漂白硫酸鹽漿進(jìn)行打漿,控制打漿度約40°SR。使用紙張成型機(jī)制備定量為70 g·m-2手抄紙片,隨后按照國家標(biāo)準(zhǔn)測定并計算紙張的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)[35]。
對所選試材進(jìn)行硫酸鹽法制漿,并制備手抄紙片測定紙張力學(xué)性能。實驗結(jié)果如表1所示。制漿得率變化幅度為41.48%~53.78%,卡伯值的變化幅度為 19.20~25.30,抗張指數(shù)變化幅度為 70.75~98.61 N·m·g-1,耐破指數(shù)變化幅度50.02~68.18 kPa·m2·g-1,撕裂指數(shù)變化幅度為 6.67~13.84 mN·m2·g-1。107楊制漿造紙性能均值分別為制漿得率 48.39%,卡伯值 22.16,抗張指數(shù) 85.61 N·m·g-1,耐破指數(shù) 58.38 kPa·m2·g-1,撕裂指數(shù) 13.72 mN·m2·g-1。將107楊制漿造紙性能的變化幅度和平均值與其它楊樹無性系進(jìn)行綜合比較發(fā)現(xiàn),107楊的制漿造紙性能處于中等水平[5-12,16,36]。
從表1所列數(shù)據(jù)分析可知,3株107楊制漿得率和卡伯值徑向變異模式基本相同。制漿得率從髓心向外迅速波動上升,到第6生長輪后微弱下降;卡伯值從髓心向外開始逐漸降低,到第4生長輪時出現(xiàn)最低值,隨后逐漸上升。與前文對107楊化學(xué)組成徑向變異研究結(jié)果相對照[34],可以明顯看出制漿得率和纖維素類型化學(xué)組成徑向變異模式較為相似,而卡伯值與木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)徑向變異模式也較為相似,這種類似性是木材原料特性與制漿性能關(guān)系的最好詮釋。綜合分析制漿得率和卡伯值徑向變異模式,筆者認(rèn)為從制漿性能出發(fā),107楊紙漿林的輪伐期要長于6 a。如果輪伐期過短,木材生成紙漿的能力還沒有達(dá)到頂峰,對紙漿產(chǎn)量具有一定負(fù)面影響。
3株107楊紙張力學(xué)性能的徑向變異模式較為類似??箯堉笖?shù)從髓心向外逐漸增加,到第5生長輪后緩慢下降;耐破指數(shù)的徑向變異模式與抗張指數(shù)較為類似,從髓心向外迅速增加至第5生長輪,隨后開始緩慢下降。撕裂指數(shù)在生長輪初期(即第1、第2、第3生長輪附近)主要還是保持一個較為平穩(wěn)的緩慢上升的狀態(tài),到第4、第5生長輪之間保持基本不變,隨后在第6生長輪后迅速攀升。紙張性能的徑向變異變化受到許多因子影響,原材料的纖維特性,以及打漿度、紙張的定量等因素都能影響其數(shù)值,因此造成了各單株之間出現(xiàn)了較大的差異。本研究所得出楊樹木材制漿造紙性能的徑向變異與前人研究結(jié)論類似。
表1 各單株、各生長輪制漿造紙性能均值
通過與前文對107楊解剖特征徑向變異研究結(jié)論相對照,可以發(fā)現(xiàn)紙張性能的徑向變化趨勢與纖維特性的徑向變化趨勢關(guān)系緊密[33]。隨著纖維長度、長寬比的增加,紙張纖維之間的結(jié)合位點和接觸面積增加,因此纖維之間的氫鍵結(jié)合數(shù)量有所提高,所以纖維之間的結(jié)合力得到增強(qiáng)。隨著細(xì)胞壁厚度的增加,一方面,成紙時纖維之間疊加越發(fā)困難,塌陷程度降低,因此纖維之間結(jié)合位點和接觸面積減小,降低了纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度;另一方面,由于壁厚的增加提高了單根纖維的強(qiáng)度,也提高了纖維本身的力學(xué)性能[37-41]??箯堉笖?shù)、耐破指數(shù)主要驗證紙張纖維之間的結(jié)合力的大小,因此從髓心向外,隨著纖維長度和長寬比的增加,開始出現(xiàn)迅速增長的趨勢;但是隨著壁厚的增加,抗張指數(shù)的上升趨勢得到了抑制,因此在第5生長輪達(dá)到最大值后開始下降。由于撕裂指數(shù)的大小不僅與紙張纖維的之間結(jié)合力有關(guān),而且與單根纖維的力學(xué)性能關(guān)系更為密切,因此,從髓心向外胞壁厚度的增加一方面降低了纖維之間的結(jié)合力,另一方面提高了單根纖維的強(qiáng)度。這兩種作用與其它纖維形態(tài)指標(biāo)的作用相互交織,形成了撕裂指數(shù)特有的徑向變異模式。綜合考查本研究各單株的紙張性能徑向變異模式,筆者認(rèn)為如果從紙張性能出發(fā),107楊紙漿林最佳輪伐期不能超過5生長輪。
以18個試樣的制漿造紙性能均值為數(shù)據(jù)源,利用單因素方差分析不同單株和不同年輪在制漿得率、卡伯值、抗張指數(shù)、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)之間的差異顯著程度。分析結(jié)果顯示,不同單株之間撕裂指數(shù)差異在0.001水平上顯著,卡伯值在0.01水平上顯著,其余各指標(biāo)差異均不顯著。不同生長輪之間,制漿得率、抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)均在0.001水平上差異顯著,而卡伯值差異不顯著。根據(jù)單因素方差分析結(jié)果可以認(rèn)為,在進(jìn)行楊樹造紙性能評測時要注意單株之間和生長輪之間的差異對結(jié)果的影響。尤其是在不同樹齡之間,由于解剖特征和化學(xué)組成徑向變異的存在,其制漿造紙性能在各生長輪之間差異顯著。
表2 不同單株和不同生長輪之間制漿造紙性能差異的單因素方差分析結(jié)果
107楊制漿造紙性能均值分別為制漿得率48.39%,卡伯值 22.16,抗張指數(shù) 85.61 N·m·g-1,耐破指數(shù) 58.38 kPa·m2·g-1,撕裂指數(shù) 13.72 mN·m2·g-1。與其它楊樹無性系進(jìn)行綜合比較發(fā)現(xiàn),107楊的制漿造紙性能處于中等水平。107楊制漿造紙性能徑向變異模式分別為:制漿得率從髓心向外迅速波動上升,到第6生長輪后微弱下降;卡伯值從髓心向外開始逐漸降低,到第4生長輪時出現(xiàn)最低值,隨后逐漸上升;抗張指數(shù)從髓心向外逐漸增加,到第5生長輪后開緩慢下降;耐破指數(shù)的徑向變異模式與抗張指數(shù)較為類似,從髓心向外迅速增加至第5生長輪,隨后開始緩慢下降;撕裂指數(shù)在生長輪初期主要還是保持一個較為平穩(wěn)的緩慢上升的狀態(tài),到第4、第5生長輪之間保持基本不變,隨后在第6生長輪后迅速攀升。綜合考查制漿性能和紙張性能徑向變異模式,筆者認(rèn)為從制漿性能出發(fā),107楊紙漿林的輪伐期要長于6 a,而從紙張性能出發(fā),107楊紙漿林輪伐期要不能超過5 a,再綜合考慮生長量等其它因素,107楊紙漿林最佳輪伐期應(yīng)為6 a。單因素方差分析結(jié)果顯示,不同單株之間撕裂指數(shù)差異在0.001水平上顯著,卡伯值在0.01水平上顯著,其余各指標(biāo)差異均不顯著。不同生長輪之間,制漿得率、抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)均在0.001水平上差異顯著,而卡伯值差異不顯著。
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