三個(gè)廣西速生鄉(xiāng)土闊葉樹種制漿造紙性能研究

米老排、黑格和大葉櫟樣木，分別取自廣西國有派陽山林場(chǎng)、廣西國有雅長(zhǎng)林場(chǎng)、橫州市鎮(zhèn)龍林場(chǎng)的人工林林分。每個(gè)樹種選取4~5個(gè)不同林齡的樣木參與實(shí)驗(yàn)，每個(gè)林齡選取1~3株樣木。作為對(duì)照的尾巨桉為7年生，取自廣西國有派陽山林場(chǎng)。樣木基本信息見表1。

氫氧化鈉、硫化鈉、鹽酸、硫酸、高錳酸鉀、碘化鉀、氯化鋇，均由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供；硫代硫酸鈉，由天津奧普升化工有限公司提供。以上試劑均為分析純。

纖維分析儀（MORFI Neo，法國），實(shí)驗(yàn)蒸煮器（TD1-15，容積15 L，咸陽通達(dá)輕工設(shè)備有限公司），抗張強(qiáng)度測(cè)定儀（L&W 066，瑞典），耐破度測(cè)定儀（BSM-1600，中建材智能自動(dòng)化研究院有限公司），紙張撕裂度儀（DCP-SLY1000，四川長(zhǎng)江造紙儀器有限責(zé)任公司），耐折度測(cè)定儀（Tinius Olsen MIT#1VS，美國）。

不同林齡樣木的木材基本密度和纖維形態(tài)如表2所示，圖1為3個(gè)鄉(xiāng)土闊葉樹種的纖維形態(tài)分布情況。綜合考慮制漿能耗和設(shè)備生產(chǎn)能力，制漿造紙企業(yè)一般選擇木材基本密度0.35~0.65 g/cm³的樹種作為較優(yōu)原料^[17]。由表2可知，除CF-8的基本密度略低于0.35外，各試樣的基本密度均在0.35~0.65 g/cm³范圍內(nèi)，表明5~15年生的3個(gè)速生闊葉樹種均適于制漿造紙。黑格的木材基本密度為0.442~0.586 g/cm³，高于米老排（0.399~0.482 g/cm³）和大葉櫟（0.342~0.526 g/cm³），作為紙漿林培育時(shí)在木材干物質(zhì)量生產(chǎn)上具有明顯優(yōu)勢(shì)。與桉木相比，AO-10、AO-12、AO-15及CF-15的木材基本密度高出1.2%~12.7%，而其余樣木基本密度低7.3%~34.2%。隨著林齡增加，木材基本密度整體呈上升趨勢(shì)，與黑木相思、火炬松等其他樹種的研究結(jié)果相一致。

圖1  不同林齡米老排、黑格和大葉櫟的纖維形態(tài)分布圖

Fig.1  Distribution diagram of fiber morphologies for Mytilaria laosensis, Albizia odoratissima, and Castanopsis fissa of different ages

纖維形態(tài)是決定紙張物理強(qiáng)度的重要指標(biāo)。由表2可知，3個(gè)闊葉樹種的纖維長(zhǎng)度為0.82~1.70 mm，均超過桉木（0.73 mm）；長(zhǎng)寬比為38.0~65.1，均滿足造紙?jiān)侠w維長(zhǎng)寬比大于35的基本要求。因此，從纖維基本形態(tài)考慮，3個(gè)樹種均適于制漿造紙。

此外，由表2和圖1還可知，3個(gè)樹種相比，米老排的纖維平均長(zhǎng)度（1.59 mm）分別較黑格和大葉櫟高69.1%和71.0%，纖維長(zhǎng)度分布較為集中，纖維平均粗度（25.57 mg/100 m）分別是黑格和大葉櫟的2.9和2.0倍，纖維明顯較長(zhǎng)、較粗；黑格纖維的平均寬度（16.8 μm）分別比米老排和大葉櫟低49.1%和24.0%，纖維寬度分布較集中，長(zhǎng)寬比（55.8）分別較米老排和大葉櫟高14.6%和31.6%，粗度（8.88 mg/100 m）與桉木接近，纖維形態(tài)更為細(xì)小。

對(duì)于3個(gè)速生鄉(xiāng)土闊葉樹種而言，纖維形態(tài)隨林齡的變化在不同樹種間存在差異。隨著林齡的增大，米老排和黑格纖維的長(zhǎng)寬比呈降低趨勢(shì)，而纖維粗度則呈上升趨勢(shì)；米老排的纖維寬度呈上升趨勢(shì)；大葉櫟的纖維長(zhǎng)度和長(zhǎng)寬比均呈上升趨勢(shì)；其余指標(biāo)呈波動(dòng)式變化，且變化幅度相對(duì)較小。此外，不同林齡樣木的纖維長(zhǎng)度和寬度的分布狀況整體上無明顯差異。

不同林齡樣木所制備木漿的基本性能如表3所示。由表3可知，各組樣木的細(xì)漿得率為40.7%~54.2%，均超過40%，3個(gè)闊葉樹種屬于細(xì)漿得率較高的制漿原料，其中黑格木漿和大葉櫟木漿的平均細(xì)漿得率分別為48.6%和47.1%，與對(duì)照樣桉木漿（47.5%）接近；米老排木漿的細(xì)漿得率略低，平均值為43.6%。黑格木漿的殘堿量（10.0~13.8 g/L）和卡伯值（18.0~21.4）均較高，其平均值分別比其他2個(gè)樹種及桉木高出33.6%~108.6%和5.9%~19.6%，表明黑格木材蒸煮比較困難，木質(zhì)素不易被脫除^[22]。大葉櫟木漿的黏度（1 066~1 237 mL/g）較高，黑格木漿的黏度（892~987 mL/g）較低，而米老排木漿的黏度（947~1 093 mL/g）與桉木漿接近。

由表3還可知，隨著林齡的增加，米老排木漿和大葉櫟木漿的細(xì)漿得率整體呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，均在8年生時(shí)達(dá)到最大值45.3%和49.0%，該變化趨勢(shì)與落葉松木漿的相關(guān)研究結(jié)果一致^[22]，在一定程度上反映了制漿原料的纖維含量。AO-6的細(xì)漿得率（54.2%）遠(yuǎn)高于其余3組黑格試樣，這主要是因?yàn)槠淠静幕久芏容^其余試樣低了17.4%~24.6%（表2），從而導(dǎo)致成漿效率更高。米老排、黑格和大葉櫟木漿的最小卡伯值對(duì)應(yīng)林齡分別為5、6和11年，此時(shí)木漿中殘余木質(zhì)素較少，表明生長(zhǎng)早期形成的木材，其脫木質(zhì)素程度較高，蒸煮效率較高。

不同林齡闊葉木漿所制備紙張的物理性能如圖2所示。由圖2可知，盡管米老排纖維長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于黑格和大葉櫟（表2），但其紙張的整體強(qiáng)度指標(biāo)未表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，表明除了纖維長(zhǎng)度外，纖維結(jié)合力、纖維本身的強(qiáng)度和纖維在紙張中的排列也會(huì)影響紙張整體強(qiáng)度^[23-24]。不同林齡米老排所制紙張的撕裂指數(shù)整體上與桉木所制紙張接近，變化規(guī)律不明顯，ML-13所制紙張撕裂指數(shù)最大（8.71 mN·m²/g）。隨著林齡的增加，米老排所制紙張的耐破指數(shù)、抗張指數(shù)和耐折度變化基本一致，整體呈下降趨勢(shì)，5年生米老排所制紙張的強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值最高，其耐破指數(shù)、抗張指數(shù)、耐折度分別為7.14 kPa·m²/g、110 N·m/g和2 108次，而13年生米老排所制紙張的強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值最低。綜合比較，以5年生米老排為原料所制紙張的整體強(qiáng)度指標(biāo)較好。

圖2  不同林齡米老排、黑格和大葉櫟紙張物理性能

Fig. 2  Physical properties of the paper from Mytilaria laosensis, Albizia odoratissima， and Castanopsis fissa of different ages

由圖2可知，對(duì)于大葉櫟而言，11~15年生大葉櫟所制紙張的平均撕裂指數(shù)（7.77 mN·m²/g）較6~8年生大葉櫟所制紙張高20.9%，主要是由于6~8年生木材的纖維明顯較短（表2），而纖維長(zhǎng)度是影響紙張撕裂度的重要因素之一。大葉櫟所制紙張的耐破指數(shù)、抗張指數(shù)和耐折度的變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)為6~13年生大葉櫟所制紙張的強(qiáng)度指標(biāo)接近，耐破指數(shù)、抗張指數(shù)、耐折度平均值分別為6.84 kPa·m²/g、103 N·m/g和1 780次，而15年生大葉櫟所制紙張的強(qiáng)度指標(biāo)較前者分別低22.5%、18.9%和76.5%。綜合各項(xiàng)指標(biāo)，11和13年生大葉櫟所制紙張的整體物理強(qiáng)度較優(yōu)。

由圖2還可知，不同林齡黑格相比，6年生黑格所制紙張的撕裂指數(shù)、抗張指數(shù)和耐折度均最高，分別為8.91 mN·m²/g、101 N·m/g和1 556次，耐破指數(shù)（6.70 kPa·m²/g）也較高，僅略小于12年生黑格所制紙張（6.86 kPa·m²/g）。6年生黑格所制紙張具有較優(yōu)的物理強(qiáng)度，這與其較大的纖維長(zhǎng)度和長(zhǎng)寬比（表2）相符。10年生黑格所制紙張的耐破指數(shù)、抗張指數(shù)和耐折度均最小，分別較最大值低17.6%、10.3%和72.2%。12年生黑格所制紙張的撕裂指數(shù)最小，比最大值低24.9%。隨著林齡的增加，黑格所制紙張的撕裂度、抗張強(qiáng)度和耐折度均呈下降趨勢(shì)，而耐破指數(shù)變化較小。綜合考慮各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)，以6年生黑格為原料所制紙張的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)較為明顯。

基于坐標(biāo)綜合評(píng)定法獲得的紙張物理強(qiáng)度綜合得分（S_i）如圖3所示。研究表明，綜合得分值越小，表明綜合物理強(qiáng)度越高。由圖3可知，各組試樣的綜合得分值（0.59~19.91）均小于桉木（21.25），表明3個(gè)速生闊葉樹種均可作為造紙行業(yè)的新原料。不同林齡的試樣相比，ML-5、ML-12、AO-6、CF-6、CF-8、CF-11和CF-13的綜合得分值明顯較低，紙張物理強(qiáng)度較優(yōu)；ML-13、AO-10和CF-15的綜合得分值較高，紙張物理強(qiáng)度較低，與上述分析中的結(jié)論基本一致。綜上所述，以3個(gè)闊葉樹種生長(zhǎng)早期形成的木材為制漿造紙?jiān)?，制備的紙張物理?qiáng)度較優(yōu)，表明其適于培育短輪伐期紙漿林。

圖3  基于坐標(biāo)綜合評(píng)定法獲得的不同林齡米老排、黑格和大葉櫟紙張物理強(qiáng)度得分值

Fig.3  Results from coordinate integrative assessment of physical properties of the paper from Mytilaria laosensis, Albizia odoratissima， and Castanopsis fissa of different ages