厚壁型巨龍竹稈材的材性特征分析

成聃睿， 史正軍， 劉瑞華， 劉蔚漪， 鄭志鋒， 輝朝茂， 鄧 佳

(1.西南林業(yè)大學 云南省高校生物質(zhì)化學煉制與合成重點實驗室，云南 昆明 650224; 2.教育部省部共建西南山地森林資源保育與利用重點實驗室，云南 昆明 650224)

·研究報告——生物質(zhì)活性成分·

厚壁型巨龍竹稈材的材性特征分析

(1.西南林業(yè)大學 云南省高校生物質(zhì)化學煉制與合成重點實驗室，云南 昆明 650224; 2.教育部省部共建西南山地森林資源保育與利用重點實驗室，云南 昆明 650224)

研究厚壁巨龍竹稈材的化學成分、纖維形態(tài)及基本密度等材性特征。材性特征研究顯示，厚壁型巨龍竹稈材中不同部位的基本密度、化學成分及纖維形態(tài)存在一定的差異。其平均基本密度為0.68 g/cm3，屬中等密度材；化學組成平均為：綜纖維素71.01%、木質(zhì)素26.12%、多戊糖15.96%；其纖維的平均長度2.19 mm、寬度19.61 μm、長寬比值111、壁腔比值1.78?？傮w上看，厚壁型巨龍竹的基本密度適中、綜纖維素含量較高、纖維形態(tài)較為優(yōu)良，可以滿足造紙工業(yè)對原料的基本要求。

厚壁型巨龍竹；基本密度；化學成分；纖維形態(tài)

巨龍竹(DendrocalamussinicusL.C.Chia et J.L.Sun)系禾本科牡竹屬，是世界上稈型最為高大的竹種，其稈高可達30 m以上，徑粗可達30 cm以上。其單位面積產(chǎn)材量比我國主要經(jīng)濟竹種毛竹高5～8倍，是推廣前景廣闊的優(yōu)良經(jīng)濟竹種[1]。巨龍竹資源材質(zhì)優(yōu)良、用途廣泛，是特大型稈材、特種工藝品、新型竹建筑、人造板、竹炭及其制品、竹漿及造紙等產(chǎn)品的極佳原料[2]。然而，目前巨龍竹資源的綜合利用較少，有關其化學成分及纖維形態(tài)等材性特征的研究報道有限，近期有研究報道巨龍竹有薄壁和厚壁之分化[3]，薄壁型巨龍竹與厚壁型巨龍竹的主要區(qū)別在竹材的厚度不同，此外，厚壁型巨龍竹根部的竹節(jié)生出較多的氣生根，而薄壁型巨龍竹較少。本研究選取厚壁型巨龍竹稈材作為實驗材料，系統(tǒng)分析其化學成分、纖維形態(tài)及基本密度等材性特征，以期為巨龍竹資源的推廣利用提供可靠的科學依據(jù)。

1 實 驗

1.1 材料

厚壁型巨龍竹，于2014年5月采自云南省普洱市孟連縣。選取正常生長、無病蟲害的3年生竹株，去除梢和側(cè)枝后，將竹稈均分為根部、中部、梢部3段，并分別削成竹片備用。分別取部分竹材用作纖維形態(tài)和基本密度的測定，其余用粉碎機粉碎。

1.2 分析測試方法

1.2.1 化學成分 采用粉碎機將具有代表性的根部、中部、梢部竹片分別進行粉碎，取粒徑245～350 μm的竹粉，保存于1 L廣口瓶中，備用。

巨龍竹的化學組成測試包括灰分、水分、綜纖維素、1%氫氧化鈉抽出物、冷水抽出物、熱水抽出物、酸不溶木質(zhì)素、酸溶木質(zhì)素、多戊糖、乙醚抽出物和苯-醇抽出物等11項指標。各指標分別按照造紙原料分析方法國家標準(GB/T 742—2008，GB/T 2677.2—2011，GB/T 2677.10—1995，GB/T 2677.5—1993，GB/T 2677.4—1993，GB/T 2677.8—1994，GB/T 10337—2008，GB/T 2677.9—1994，GB/T 2677.6—1994)進行測定。

1.2.2 纖維形態(tài) 分別選取具有代表性的根部、中部和稍部竹片切成火柴桿狀，然后用體積比1 ∶1的冰乙酸和雙氧水溶液在試管中對竹條進行纖維解離，直至竹條變?yōu)榘咨?，然后搖晃試管直至竹材纖維均勻散開分布在溶液里，最后用解離出來的纖維制作玻片，用顯微鏡測量纖維長度和寬度；另外選取上述3種竹片切成長2 cm、寬1 cm的竹塊，然后用體積比1 ∶1的冰乙酸和雙氧水溶液對竹塊進行軟化處理，等竹材軟化后制作切片，用顯微鏡測量纖維細胞的腔徑和壁厚。

1.2.3 基本密度 巨龍竹基本密度的測試方法參照GB/T 15780—1995。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學成分測試

厚壁型巨龍竹稈材化學成分測定結(jié)果詳見表1。

表1 厚壁型巨龍竹及其它造紙纖維原料化學成分Table 1 The chemical composition of Dendrocalamus sinicus and other fibrous raw materials %

2.1.1 灰分 由表1可知，厚壁型巨龍竹梢部的灰分最大，為4.99%，其原因是竹材稍部的纖維細胞比其它部位多，薄壁細胞相對較少，細胞壁的厚度相對較大，而灰分沉積在細胞壁中，故竹材梢部的灰分更大。厚壁型巨龍竹平均灰分為4.28%，高于其它幾種參比竹材和木材原料，低于麥草的灰分含量。在化學法制漿過程中，若原料中的灰分過高，則不利于堿液的回收。厚壁型巨龍竹中的灰分在制漿造紙過程中不會產(chǎn)生較大的不良影響。

2.1.2 木質(zhì)素 由表1可知，厚壁型巨龍竹梢部木質(zhì)素含量略高于中部、根部，但各部位相差不大。厚壁型巨龍竹平均木質(zhì)素含量適中，質(zhì)量分數(shù)為26.12%，與其它參比原料相比，略高于毛白楊和麥草，低于慈竹、毛竹、馬尾松和云南甜竹。在制漿過程中，纖維原料的木質(zhì)素含量高，會造成蒸煮和漂白困難，化學藥品用量大；若紙漿中的木質(zhì)素殘留量多，則容易引起紙張返黃[6]。

2.1.3 綜纖維素 從縱向分布來看，厚壁型巨龍竹的綜纖維素含量從根部到梢部未呈現(xiàn)出顯著的變化趨勢。厚壁型巨龍竹平均綜纖維素質(zhì)量分數(shù)71.01%，低于其它幾種參比原料。綜纖維素含量越高，則可能得到的紙漿得率越高[7]。

2.1.4 多戊糖 厚壁型巨龍竹各個部位多戊糖含量無明顯差別，平均多戊糖質(zhì)量分數(shù)15.96%，與其它纖維原料相比多戊糖含量適中。紙漿中的多戊糖含量是影響纖維打漿性能和紙張透明性的因素之一，多戊糖含量高利于打漿，纖維結(jié)合的機械強度也相應較好[8-11]。

2.1.5 抽出物 厚壁型巨龍竹中水抽出物從根部到梢部呈現(xiàn)出遞減趨勢，平均冷水抽出物質(zhì)量分數(shù)5.52%、熱水抽出物質(zhì)量分數(shù)6.60%、1% NaOH抽出物質(zhì)量分數(shù)為20.43%。纖維原料的乙醚抽出物主要成分為脂類化合物。乙醚抽出物含量過高會妨礙蒸煮，蒸煮不當可能會降低紙張強度[6]。苯-醇抽出物含量過高，對蒸煮時間、藥品用量以及成紙的顏色都有一定負面影響。厚壁型巨龍竹的乙醚抽出物質(zhì)量分數(shù)為0.34%，低于云南甜竹、毛竹和慈竹。苯-醇抽出物質(zhì)量分數(shù)為3.73%，高于其它幾種參比原料，由于苯-醇抽出物質(zhì)量分數(shù)較高，在蒸煮時應適當增加時間及藥品用量。

2.2 基本密度及纖維形態(tài)測試結(jié)果

2.2.1 基本密度 造紙原料的基本密度對制漿過程有較大影響。纖維原料的密度太小，會導致單位蒸煮器裝鍋量的下降，生產(chǎn)線產(chǎn)能的降低，但有利于制漿過程化學藥液的滲透；反之，密度過大則有利于提高單位蒸煮器的裝鍋量，增加生產(chǎn)線的產(chǎn)能，但會造成原料在蒸煮過程中化學藥液的滲透困難，因此，中等密度的纖維原料對制漿較為有利[12]。厚壁型巨龍竹梢部、中部和根部的基本密度分別為0.87、0.67和0.51 g/cm3，從根部到梢部呈遞增趨勢，其主要原因是，竹材梢部的細胞中纖維細胞較多而薄壁細胞較少，其細胞壁更厚，因此梢部的基本密度大，根部的纖維細胞比梢部少而薄壁細胞多，故根部的細胞壁薄，基本密度低。厚壁型巨龍竹平均基本密度為0.68 g/cm3，屬中密度材，略低于毛竹[13]，略高于慈竹[12]，高于馬尾松[14]。

2.2.2 纖維形態(tài) 造紙原料的纖維形態(tài)與紙張的性能密切相關，纖維長度及長寬比對紙張強度和質(zhì)量有較大影響[15-16]。厚壁型巨龍竹的纖維形態(tài)測試結(jié)果如表2所示，從表2可以看出，厚壁型巨龍竹的纖維平均長度和寬度從根部至梢部逐漸降低，但纖維的長寬比逐漸增大；纖維的平均長度為2.19 mm，寬度19.61μm，長寬比值為111。和常見造紙纖維原料相比，厚壁型巨龍竹的纖維比云南甜竹(2.65 mm)[17]和馬尾松(3.61 mm)[5]短，比其它參比原料長；纖維的長寬比值小于云南甜竹(174)，和毛竹(123)[5]、麥草(114)[5]接近，遠大于馬尾松(72)，較長的纖維長度有利于提高紙張的耐折度、抗張強度等強度性能[12]。

表2 厚壁型巨龍竹纖維形態(tài)Table 2 The fiber morphology of Dendrocalamus sinicus

壁腔比是細胞雙壁厚與腔徑的比值，是影響成紙性能的重要因素之一。一般來說，壁腔比小的纖維柔韌性好，在抄紙過程中有利于纖維的結(jié)合，成紙強度高、質(zhì)量好[17]。從縱向上看，厚壁型巨龍竹梢部細胞壁最薄，腔徑最大，壁腔比值為1.35，小于中部及根部。從整體上看，厚壁型巨龍竹壁厚6.25 μm，腔徑7.00 μm，壁腔比值為1.78，小于毛竹(4.55)和麥草(4.16)，大于云南甜竹(0.38)和馬尾松(1.05)。需要注意的是，壁腔比值是否小于1通常被用來判定造紙纖維原料的優(yōu)劣[18]，因此，盡管厚壁型巨龍竹纖維壁腔比值遠遠小于毛竹和麥草，但總體來看，其柔韌性依然略顯不足。

2.2.3 纖維長度的分布 在制漿造紙過程中，常根據(jù)纖維長度的分布來確定不同紙漿原料的相互配比[19-20]。厚壁型巨龍竹的纖維長度分布如表3所示。由表可知，厚壁型巨龍竹的纖維長度主要集中在1.5～3.0 mm之間，長度在2 mm以上的占56.6%，長度超過3 mm的纖維占15.2%。與其他參比原料相比，厚壁型巨龍竹纖維長度分布與毛竹相近，其長度在2.0 mm以上纖維比例小于云南甜竹(75.2%)[17]和馬尾松(91.5%)[5]?？偟膩砜?，從纖維長度的分布來看，厚壁型巨龍竹符合制漿造紙對原料的基本要求。

表3 厚壁型巨龍竹纖維長度分布Table 3 Frequency distribution of fiber length of Dendrocalamus sinicus

3 結(jié) 論

3.1 厚壁型巨龍竹稈材的材性特征研究表明，竹材不同部位的基本密度、化學成分及纖維形態(tài)存在一定的差異。基本密度從根部到梢部呈現(xiàn)出遞增趨勢，梢部纖維更加細長，且壁腔比更小。厚壁型巨龍竹稈材的基本密度為0.68 g/cm3，屬中密度材。

3.2 對厚壁型巨龍竹的化學成分分析分明，綜纖維素質(zhì)量分數(shù)較高，為71.01%，木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)為26.12%，多戊糖質(zhì)量分數(shù)為15.96%。

3.3 纖維形態(tài)測試結(jié)果顯示，厚壁型巨龍竹的纖維平均長度為2.19 mm，寬度為19.61 μm，長寬比值為111，壁腔比值為1.78，纖維形態(tài)較為優(yōu)良；可以滿足造紙工業(yè)對原料的基本要求。

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Properties of Bamboo Culm fromDendrocalamussinicus

CHENG Dan-rui1, SHI Zheng-jun1, LIU Rui-hua2, LIU Wei-yi2, ZHENG Zhi-feng1, HUI Chao-mao2, DENG Jia2

(1.University Key Laboratory of Biomass Chemical Refinery & Synthesis,Southwest Forestry University, Kunming 650224, China;2.Key Laboratory for Forest Resources Conservation and Use in the Southwest Mountains of China,Southwest Forestry University， Kunming 650224, China)

The basic density,component contents,and fiber morphology of bamboo culm (DendrocalamussinicusL.C.Chia et J.L.Sun) were analysed in this paper.The results indicated that these properties shown a certain amount of difference in different parts of bamboo culm.The basic density of the bamboo culm was 0.68 g/cm3,which was in the middle level among lignocellulosic biomass.In addition,the contents of holocellulose,lignin and pentosane were 71.01%,26.12% and 15.96%,respectively.The fiber length,fiber width,length/width ratio,and wall thickness/fiber lumen diameter ratio of the bamboo culm were 2.19 mm,19.61 μm,111 and 1.78,respectively.Overall,D.sinicusis one of qualified materials for pulping and papermaking due to its modest basic density,higher holocellulose content and better fiber morphology compared with other common fibrous raw materials.

Dendrocalamussinicus;basic density;chemical composition;fiber morphology

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.04.009

2014-10-29

國家自然科學基金資助項目(31260165)；林業(yè)科技成果國家級推廣項目([2012]66)；云南省竹藤科學創(chuàng)新團隊建設項目(2008OC001)

成聃睿(1990—)，男，四川成都人，碩士生，從事林產(chǎn)化工的研究工作

*通訊作者：鄧 佳，講師，博士，研究方向為森林培育與利用；E-mail:dengjia1983@163.com。

TQ35

A

1673-5854(2015)04-0045-04